Efficient Many-Light Rendering of Scenes with Participating Media

We present several approaches based on virtual lights that aim at capturing the light transport without compromising quality, and while preserving the elegance and efficiency of many-light rendering. By reformulating the integration scheme, we obtain two numerically efficient techniques; one tailored specifically for interactive, high-quality lighting on surfaces, and one for handling scenes with participating media

A graphics processing unit based method for dynamic real-time global illumination

Real-time realistic image synthesis for virtual environments has been one of the most actively researched areas in computer graphics for over a decade. Images that display physically correct illumination of an environment can be simulated by evaluating a multi-dimensional integral equation, called the rendering equation, over the surfaces of the environment. Many global illumination algorithms such as pathtracing, photon mapping and distributed ray-tracing can produce realistic images but are generally unable to cope with dynamic lighting and objects at interactive rates. It still remains one of most challenging problems to simulate physically correctly illuminated dynamic environments without a substantial preprocessing step. In this thesis we present a rendering system for dynamic environments by implementing a customized rasterizer for global illumination entirely on the graphics hardware, the Graphical Processing Unit. Our research focuses on a parameterization of discrete visibility field for efficient indirect illumination computation. In order to generate the visibility field, we propose a CUDA-based (Compute Unified Device Architecture) rasterizer which builds Layered Hit Buffers (LHB) by rasterizing polygons into multi-layered structural buffers in parallel. The LHB provides a fast visibility function for any direction at any point. We propose a cone approximation solution to resolve an aliasing problem due to limited directional discretization. We also demonstrate how to remove structure noises by adapting an interleaved sampling scheme and discontinuity buffer. We show that a gathering method amortized with a multi-level Quasi Mont Carlo method can evaluate the rendering equation in real-time. The method can realize real-time walk-through of a complex virtual environment that has a mixture of diffuse and glossy reflection, computing multiple indirect bounces on the fly. We show that our method is capable of simulating fully dynamic environments including changes of view, materials, lighting and objects at interactive rates on commodity level graphics hardware

Interactive global illumination on the CPU

Computing realistic physically-based global illumination in real-time remains one of the major goals in the fields of rendering and visualisation; one that has not yet been achieved due to its inherent computational complexity. This thesis focuses on CPU-based interactive global illumination approaches with an aim to develop generalisable hardware-agnostic algorithms. Interactive ray tracing is reliant on spatial and cache coherency to achieve interactive rates which conflicts with needs of global illumination solutions which require a large number of incoherent secondary rays to be computed. Methods that reduce the total number of rays that need to be processed, such as Selective rendering, were investigated to determine how best they can be utilised. The impact that selective rendering has on interactive ray tracing was analysed and quantified and two novel global illumination algorithms were developed, with the structured methodology used presented as a framework. Adaptive Inter- leaved Sampling, is a generalisable approach that combines interleaved sampling with an adaptive approach, which uses efficient component-specific adaptive guidance methods to drive the computation. Results of up to 11 frames per second were demonstrated for multiple components including participating media. Temporal Instant Caching, is a caching scheme for accelerating the computation of diffuse interreflections to interactive rates. This approach achieved frame rates exceeding 9 frames per second for the majority of scenes. Validation of the results for both approaches showed little perceptual difference when comparing against a gold-standard path-traced image. Further research into caching led to the development of a new wait-free data access control mechanism for sharing the irradiance cache among multiple rendering threads on a shared memory parallel system. By not serialising accesses to the shared data structure the irradiance values were shared among all the threads without any overhead or contention, when reading and writing simultaneously. This new approach achieved efficiencies between 77% and 92% for 8 threads when calculating static images and animations. This work demonstrates that, due to the flexibility of the CPU, CPU-based algorithms remain a valid and competitive choice for achieving global illumination interactively, and an alternative to the generally brute-force GPU-centric algorithms

Radiation techniques for urban thermal simulation with the Finite Element Method

Modern societies are increasingly organized in cities. In the present times, more than half of the world’s population lives in urban settlements. In this context, architectural and building scale works have the need of extending their scope to the urban environment. One of the main challenges of these times is understanting all the thermal exchanges that happen in the city. The radiative part appears as the less developed one; its characterization and interaction with built structures has gained attention for building physics, architecture and environmental engineering. Providing a linkage between these areas, the emerging field of urban physics has become important for tackling studies of such nature. Urban thermal studies are intrinsically linked to multidisciplinary work approaches. Performing full-scale measurements is hard, and prototype models are difficult to develop. Therefore, computational simulations are essential in order to understand how the city behaves and to evaluate projected modifications. The methodological and algorithmic improvement of simulation is one of the mainlines of work for computational physics and many areas of computer science. The field of computer graphics has addressed the adaptation of rendering algorithms to daylighting using physically-based radiation models on architectural scenes. The Finite Element Method (FEM) has been widely used for thermal analysis. The maturity achieved by FEM software allows for treating very large models with a high geometrical detail and complexity. However, computing radiation exchanges in this context implies a hard computational challenge, and forces to push the limits of existing physical models. Computer graphics techniques can be adapted to FEM to estimate solar loads. In the thermal radiation range, the memory requirements for storing the interaction between the elements grows because all the urban surfaces become radiation sources. In this thesis, a FEM-based methodology for urban thermal analysis is presented. A set of radiation techniques (both for solar and thermal radiation) are developed and integrated into the FEM software Cast3m. Radiosity and ray tracing are used as the main algorithms for radiation computations. Several studies are performed for different city scenes. The FEM simulation results are com-pared with measured temperature results obtained by means of urban thermography. Post-processing techniques are used to obtain rendered thermograms, showing that the proposed methodology pro-duces accurate results for the cases analyzed. Moreover, its good computational performance allows for performing this kind of study using regular desktop PCs.Las sociedades modernas están cada vez más organizadas en ciudades. Más de la mitad de la población mundial vive en asentamientos urbanos en la actualidad. En este contexto, los trabajos a escala arquitectónica y de edificio deben extender su alcance al ambiente urbano. Uno de los mayores desafíos de estos tiempos consiste en entender todos los intercambios térmicos que suceden en la ciudad. La parte radiativa es la menos desarrollada; su caracterización y su interacción con edificaciones ha ganado la atención de la física de edificios, la arquitectura y la ingeniería ambiental. Como herramienta de conexión entre estas áreas, la física urbana es un área que resulta importante para atacar estudios de tal naturaleza. Los estudios térmicos urbanos están intrinsecamente asociados a trabajos multidisciplinarios. Llevar a cabo mediciones a escala real resulta difícil, y el desarrollo de prototipos de menor escala es complejo. Por lo tanto, la simulación computacional es esencial para entender el comportamiento de la ciudad y para evaluar modificaciones proyectadas. La mejora metodológica y algorítmica de las simulaciones es una de las mayores líneas de trabajo para la física computacional y muchas áreas de las ciencias de la computación. El área de la computación gráfica ha abordado la adaptación de algoritmos de rendering para cómputo de iluminación natural, utilizando modelos de radiación basados en la física y aplicándolos sobre escenas arquitectónicas. El Método de Elementos Finitos (MEF) ha sido ampliamente utilizado para análisis térmico. La madurez alcanzada por soluciones de software MEF permite tratar grandes modelos con un alto nivel de detalle y complejidad geométrica. Sin embargo, el cómputo del intercambio radiativo en este contexto implica un desafío computacional, y obliga a empujar los límites de las descripciones físicas conocidas. Algunas técnicas de computación gráfica pueden ser adaptadas a MEF para estimar las cargas solares. En el espectro de radiación térmica, los requisitos de memoria necesarios para almacenar la interacción entre los elementos crecen debido a que todas las superficies urbanas se transforman en fuentes emisoras de radiación. En esta tesis se presenta una metodología basada en MEF para el análisis térmico de escenas urbanas. Un conjunto de técnicas de radiación (para radiación solar y térmica) son desarrolladas e integradas en el software MEF Cast3m. Los algoritmos de radiosidad y ray tracing son utilizados para el cómputo radiativo. Se presentan varios estudios que utilizan diferentes modelos de ciudades. Los resultados obtenidos mediante MEF son comparados con temperaturas medidas por medio de termografías urbanas. Se utilizan técnicas de post-procesamiento para renderizar imágenes térmicas, que permiten concluir que la metodología propuesta produce resultados precisos para los casos analizados. Asimismo, su buen desempeño computacional posibilita realizar este tipo de estudios en computadoras personales

Realistic Image Synthesis with Light Transport

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Towards Predictive Rendering in Virtual Reality

The strive for generating predictive images, i.e., images representing radiometrically correct renditions of reality, has been a longstanding problem in computer graphics. The exactness of such images is extremely important for Virtual Reality applications like Virtual Prototyping, where users need to make decisions impacting large investments based on the simulated images. Unfortunately, generation of predictive imagery is still an unsolved problem due to manifold reasons, especially if real-time restrictions apply. First, existing scenes used for rendering are not modeled accurately enough to create predictive images. Second, even with huge computational efforts existing rendering algorithms are not able to produce radiometrically correct images. Third, current display devices need to convert rendered images into some low-dimensional color space, which prohibits display of radiometrically correct images. Overcoming these limitations is the focus of current state-of-the-art research. This thesis also contributes to this task. First, it briefly introduces the necessary background and identifies the steps required for real-time predictive image generation. Then, existing techniques targeting these steps are presented and their limitations are pointed out. To solve some of the remaining problems, novel techniques are proposed. They cover various steps in the predictive image generation process, ranging from accurate scene modeling over efficient data representation to high-quality, real-time rendering. A special focus of this thesis lays on real-time generation of predictive images using bidirectional texture functions (BTFs), i.e., very accurate representations for spatially varying surface materials. The techniques proposed by this thesis enable efficient handling of BTFs by compressing the huge amount of data contained in this material representation, applying them to geometric surfaces using texture and BTF synthesis techniques, and rendering BTF covered objects in real-time. Further approaches proposed in this thesis target inclusion of real-time global illumination effects or more efficient rendering using novel level-of-detail representations for geometric objects. Finally, this thesis assesses the rendering quality achievable with BTF materials, indicating a significant increase in realism but also confirming the remainder of problems to be solved to achieve truly predictive image generation

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

Realistic Visualization of Animated Virtual Cloth

Photo-realistic rendering of real-world objects is a broad research area with applications in various different areas, such as computer generated films, entertainment, e-commerce and so on. Within photo-realistic rendering, the rendering of cloth is a subarea which involves many important aspects, ranging from material surface reflection properties and macroscopic self-shadowing to animation sequence generation and compression. In this thesis, besides an introduction to the topic plus a broad overview of related work, different methods to handle major aspects of cloth rendering are described. Material surface reflection properties play an important part to reproduce the look & feel of materials, that is, to identify a material only by looking at it. The BTF (bidirectional texture function), as a function of viewing and illumination direction, is an appropriate representation of reflection properties. It captures effects caused by the mesostructure of a surface, like roughness, self-shadowing, occlusion, inter-reflections, subsurface scattering and color bleeding. Unfortunately a BTF data set of a material consists of hundreds to thousands of images, which exceeds current memory size of personal computers by far. This work describes the first usable method to efficiently compress and decompress a BTF data for rendering at interactive to real-time frame rates. It is based on PCA (principal component analysis) of the BTF data set. While preserving the important visual aspects of the BTF, the achieved compression rates allow the storage of several different data sets in main memory of consumer hardware, while maintaining a high rendering quality. Correct handling of complex illumination conditions plays another key role for the realistic appearance of cloth. Therefore, an upgrade of the BTF compression and rendering algorithm is described, which allows the support of distant direct HDR (high-dynamic-range) illumination stored in environment maps. To further enhance the appearance, macroscopic self-shadowing has to be taken into account. For the visualization of folds and the life-like 3D impression, these kind of shadows are absolutely necessary. This work describes two methods to compute these shadows. The first is seamlessly integrated into the illumination part of the rendering algorithm and optimized for static meshes. Furthermore, another method is proposed, which allows the handling of dynamic objects. It uses hardware-accelerated occlusion queries for the visibility determination. In contrast to other algorithms, the presented algorithm, despite its simplicity, is fast and produces less artifacts than other methods. As a plus, it incorporates changeable distant direct high-dynamic-range illumination. The human perception system is the main target of any computer graphics application and can also be treated as part of the rendering pipeline. Therefore, optimization of the rendering itself can be achieved by analyzing human perception of certain visual aspects in the image. As a part of this thesis, an experiment is introduced that evaluates human shadow perception to speedup shadow rendering and provides optimization approaches. Another subarea of cloth visualization in computer graphics is the animation of the cloth and avatars for presentations. This work also describes two new methods for automatic generation and compression of animation sequences. The first method to generate completely new, customizable animation sequences, is based on the concept of finding similarities in animation frames of a given basis sequence. Identifying these similarities allows jumps within the basis sequence to generate endless new sequences. Transmission of any animated 3D data over bandwidth-limited channels, like extended networks or to less powerful clients requires efficient compression schemes. The second method included in this thesis in the animation field is a geometry data compression scheme. Similar to the BTF compression, it uses PCA in combination with clustering algorithms to segment similar moving parts of the animated objects to achieve high compression rates in combination with a very exact reconstruction quality.Realistische Visualisierung von animierter virtueller Kleidung Das photorealistisches Rendering realer Gegenstände ist ein weites Forschungsfeld und hat Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu zählen Computer generierte Filme (CGI), die Unterhaltungsindustrie und E-Commerce. Innerhalb dieses Forschungsbereiches ist das Rendern von photorealistischer Kleidung ein wichtiger Bestandteil. Hier reichen die wichtigen Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, von optischen Materialeigenschaften über makroskopische Selbstabschattung bis zur Animationsgenerierung und -kompression. In dieser Arbeit wird, neben der Einführung in das Thema, ein weiter Überblick über ähnlich gelagerte Arbeiten gegeben. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den wichtigen Aspekten der virtuellen Kleidungsvisualisierung, die oben beschrieben wurden. Die optischen Reflektionseigenschaften von Materialoberflächen spielen eine wichtige Rolle, um das so genannte look & feel von Materialien zu charakterisieren. Hierbei kann ein Material vom Nutzer identifiziert werden, ohne dass er es direkt anfassen muss. Die BTF (bidirektionale Texturfunktion)ist eine Funktion die abhängig von der Blick- und Beleuchtungsrichtung ist. Daher ist sie eine angemessene Repräsentation von Reflektionseigenschaften. Sie enthält Effekte wie Rauheit, Selbstabschattungen, Verdeckungen, Interreflektionen, Streuung und Farbbluten, die durch die Mesostruktur der Oberfläche hervorgerufen werden. Leider besteht ein BTF Datensatz eines Materials aus hunderten oder tausenden von Bildern und sprengt damit herkömmliche Hauptspeicher in Computern bei weitem. Diese Arbeit beschreibt die erste praktikable Methode, um BTF Daten effizient zu komprimieren, zu speichern und für Echtzeitanwendungen zum Visualisieren wieder zu dekomprimieren. Die Methode basiert auf der Principal Component Analysis (PCA), die Daten nach Signifikanz ordnet. Während die PCA die entscheidenen visuellen Aspekte der BTF erhält, können mit ihrer Hilfe Kompressionsraten erzielt werden, die es erlauben mehrere BTF Materialien im Hauptspeicher eines Consumer PC zu verwalten. Dies erlaubt ein High-Quality Rendering. Korrektes Verwenden von komplexen Beleuchtungssituationen spielt eine weitere, wichtige Rolle, um Kleidung realistisch erscheinen zu lassen. Daher wird zudem eine Erweiterung des BTF Kompressions- und Renderingalgorithmuses erläutert, die den Einsatz von High-Dynamic Range (HDR) Beleuchtung erlaubt, die in environment maps gespeichert wird. Um die realistische Erscheinung der Kleidung weiter zu unterstützen, muss die makroskopische Selbstabschattung integriert werden. Für die Visualisierung von Falten und den lebensechten 3D Eindruck ist diese Art von Schatten absolut notwendig. Diese Arbeit beschreibt daher auch zwei Methoden, diese Schatten schnell und effizient zu berechnen. Die erste ist nahtlos in den Beleuchtungspart des obigen BTF Renderingalgorithmuses integriert und für statische Geometrien optimiert. Die zweite Methode behandelt dynamische Objekte. Dazu werden hardwarebeschleunigte Occlusion Queries verwendet, um die Sichtbarkeitsberechnung durchzuführen. Diese Methode ist einerseits simpel und leicht zu implementieren, anderseits ist sie schnell und produziert weniger Artefakte, als vergleichbare Methoden. Zusätzlich ist die Verwendung von veränderbarer, entfernter HDR Beleuchtung integriert. Das menschliche Wahrnehmungssystem ist das eigentliche Ziel jeglicher Anwendung in der Computergrafik und kann daher selbst als Teil einer erweiterten Rendering Pipeline gesehen werden. Daher kann das Rendering selbst optimiert werden, wenn man die menschliche Wahrnehmung verschiedener visueller Aspekte der berechneten Bilder analysiert. Teil der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung eines Experimentes, das menschliche Schattenwahrnehmung untersucht, um das Rendern der Schatten zu beschleunigen. Ein weiteres Teilgebiet der Kleidungsvisualisierung in der Computergrafik ist die Animation der Kleidung und von Avataren für Präsentationen. Diese Arbeit beschreibt zwei neue Methoden auf diesem Teilgebiet. Einmal ein Algorithmus, der für die automatische Generierung neuer Animationssequenzen verwendet werden kann und zum anderen einen Kompressionsalgorithmus für eben diese Sequenzen. Die automatische Generierung von völlig neuen, anpassbaren Animationen basiert auf dem Konzept der Ähnlichkeitssuche. Hierbei werden die einzelnen Schritte von gegebenen Basisanimationen auf Ähnlichkeiten hin untersucht, die zum Beispiel die Geschwindigkeiten einzelner Objektteile sein können. Die Identifizierung dieser Ähnlichkeiten erlaubt dann Sprünge innerhalb der Basissequenz, die dazu benutzt werden können, endlose, neue Sequenzen zu erzeugen. Die Übertragung von animierten 3D Daten über bandbreitenlimitierte Kanäle wie ausgedehnte Netzwerke, Mobilfunk oder zu sogenannten thin clients erfordert eine effiziente Komprimierung. Die zweite, in dieser Arbeit vorgestellte Methode, ist ein Kompressionsschema für Geometriedaten. Ähnlich wie bei der Kompression von BTF Daten wird die PCA in Verbindung mit Clustering benutzt, um die animierte Geometrie zu analysieren und in sich ähnlich bewegende Teile zu segmentieren. Diese erkannten Segmente lassen sich dann hoch komprimieren. Der Algorithmus arbeitet automatisch und erlaubt zudem eine sehr exakte Rekonstruktionsqualität nach der Dekomprimierung

Physically-based Cloud Rendering on GPU

Optická simulace participujících medií je zajímavý a taky důležitý problém, který ale nemá žádné jednoduché řešení. Mezi participujícími médii lze navíc oblaky, díky jejich pro simulaci složitým vlastnostem, chápat jako obzvláště náročný případ. Cílem této práce je navrhnout řešení tohoto problému a to navíc takové, které by tuto simulaci provádělo interaktivně. Hlavními kritérii při navrhnování teto metody byly její fyzikální věrnost a maximální využití některých výhodných vlastností oblaků, které by nám pomohly vyvážit jejich složitou podstatu. Ve výsledku je námi navrhovaná metoda postavená na algoritmu fotonových map, kterou ale zásadním způsobem modifikujeme tak, aby bylo dosáhnuto její interaktivity a časové koherence. Tomuto napomáhá i fakt, že jsme se při návrhu snažili, aby naši techniku bylo možné implementovat na součastných GPU, jejichž masivně paralelní výpočetní výkon jsme chtěli využít. Prototyp naší metody jsme implementovali v aplikaci, která je schopná interaktivně vykreslovat (zatím pouze) jeden oblak. Naše diskuze se tedy především zabývá tím, jak tento prototyp naší metody zlepšit natolik, aby jej bylo možné použít v různých praktických aplikacích v průmyslu.The rendering of participating media is an interesting and important problem without a simple solution. Yet even among the wide variety of participating media the clouds stand out as an especially difficult case, because of their properties that make their simulation even harder. The work presented in this thesis attempts to provide a solution to this problem, and moreover, to make the proposed method to work in interactive rendering speeds. The main design criteria in designing this method were its physical plausibility and maximal utilization of specific cloud properties which would help to balance the complex nature of clouds. As a result the proposed method builds on the well known photon mapping algorithm, but modifies it in several ways to obtain interactive and temporarily coherent results. This is further helped by designing the method in such a way which allows its implementation on contemporary GPUs, taking advantage of their massively parallel sheer computational power. We implement a prototype of the method in an application that renders a single realistic cloud in interactive framerates, and discuss possible extensions of the proposed technique that would allow its use in various practical industrial applications.Department of Software and Computer Science EducationKatedra softwaru a výuky informatikyFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult