An Experimental Investigation of Hypersonic Boundary-Layer Transition on Sharp and Blunt Slender Cones

Understanding the instabilities leading to the laminar-to-turbulent transition of a hypersonic boundary layer is a key challenge remaining for the design of efficient hypersonic vehicles. In the present study, experiments are performed in three different facilities at freestream Mach numbers between 6 and 14 to characterize instability mechanisms leading to transition on a 7-degree half-angle slender cone. Second-mode instability waves are visualized using a high-speed schlieren setup with the camera frame rate and spatial resolution optimized to allow individual disturbances to be tracked. In order to facilitate quantitative time-resolved measurements, a method of calibrating the schlieren system and novel image-processing algorithms have been developed. Good agreement is observed between the schlieren measurements, surface pressure measurements, and parabolized stability equation computations of the second-mode most-amplified frequencies and N factors. The high-frequency-resolution schlieren signals enable a bispectral analysis that reveals phase locking of higher harmonic content leading to nonlinear wave development. Individual disturbances are characterized using the schlieren wall-normal information not available from surface measurements. Experiments are also performed to investigate the effect of nose-tip bluntness. For moderate to large bluntness nose tips, second-mode instability waves are no longer visible, and elongated structures associated with nonmodal growth appear in the visualizations. The nonmodal features exhibit strong content between the boundary-layer and entropy-layer edges and are steeply inclined downstream. Simultaneously acquired surface pressure measurements reveal high-frequency pressure oscillations typical of second-mode instability waves associated with the trailing edge of the nonmodal features

Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen. Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. Allerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten. Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war. Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können

Path manipulation strategies for rendering dynamic environments.

The current work introduces path manipulation as a tool that extends bidirectional path tracing to reuse paths in the temporal domain. Defined as an apparatus of sampling and reuse strategies, path manipulation reconstructs the subpaths that compose the light transport paths and addresses the restriction of static geometry commonly associated with Monte Carlo light transport simulations. By reconstructing and reusing subpaths, the path manipulation algorithm obviates the regeneration of the entire path collection, reduces the computational load of the original algorithm and supports scene dynamism. Bidirectional path tracing relies on local path sampling techniques to generate the paths of light in a synthetic environment. By using the information localized at path vertices, like the probability distribution, the sampling techniques construct paths progressively with distinct probability densities. Each probability density corresponds to a particular sampling technique, which accounts for specific illumination effects. Bidirectional path tracing uses multiple importance sampling to combine paths sampled with different techniques in low-variance estimators. The path sampling techniques and multiple importance sampling are the keys to the efficacy of bidirectional path tracing. However, the sampling techniques gained little attention beyond the generation and evaluation of paths. Bidirectional path tracing was designed for static scenes and thus it discards the generated paths immediately after the evaluation of their contributions. Limiting the lifespan of paths to a generation-evaluation cycle imposes a static use of paths and of sampling techniques. The path manipulation algorithm harnesses the potential of the sampling techniques to supplant the static manipulation of paths with a generation-evaluation-reuse cycle. An intra-subpath connectivity strategy was devised to reconnect the segregated chains of the subpaths invalidated by the scene alterations. Successful intra-subpath connections generate subpaths in multiple pieces by reusing subpath chains from prior frames. Subpaths are reconstructed generically, regardless of the subpath or scene dynamism type and without the need for predefined animation paths. The result is the extension of bidirectional path tracing to the temporal domain