Photorealistic physically based render engines: a comparative study

Pérez Roig, F. (2012). Photorealistic physically based render engines: a comparative study. http://hdl.handle.net/10251/14797.Archivo delegad

Hardware Acceleration of Progressive Refinement Radiosity using Nvidia RTX

A vital component of photo-realistic image synthesis is the simulation of indirect diffuse reflections, which still remain a quintessential hurdle that modern rendering engines struggle to overcome. Real-time applications typically pre-generate diffuse lighting information offline using radiosity to avoid performing costly computations at run-time. In this thesis we present a variant of progressive refinement radiosity that utilizes Nvidia's novel RTX technology to accelerate the process of form-factor computation without compromising on visual fidelity. Through a modern implementation built on DirectX 12 we demonstrate that offloading radiosity's visibility component to RT cores significantly improves the lightmap generation process and potentially propels it into the domain of real-time.Comment: 114 page

Daylighting of Atria in Singapore

Master'sMASTER OF ARTS (ARCHITECTURE

Reduced-Order Equivalent-Circuit Models Of Thermal Systems Including Thermal Radiation

We established a general, automatic, and versatile procedure to derive an equivalent circuit for a thermal system using temperature data obtained from FE simulations. The EC topology was deduced from the FE mesh using a robust and general graph-partitioning algorithm. The method was shown to yield models that are independent of the boundary conditions for complicated 3D thermal systems such as an electronic chip. The results are strongly correlated with the geometry, and the EC can be extended to yield variable medium-order models. Moreover, a variety of heat sources and boundary conditions can be accommodated, and the EC models are inherently modular. A reliable method to compute thermal resistors connecting different regions was developed. It appropriately averages several estimates of a thermal resistance where each estimate is obtained using data obtained under different boundary or heating conditions. The concept of fictitious heat sources was used to increase the number of simulation datasets. The method was shown to yield models that are independent of the BCs for complicated 2-D thermal systems such as a 2D cavity. A reliable method to compute thermal resistors connecting different regions was developed. In general, the number of regions required for getting an accurate reduced-order model depends on the complexity of the system to be modeled. We have extended the reduced-order modeling procedure to include a view-factor based thermal radiation heat transfer model by including voltage controlled current sources in the equivalent circuit

Digital Alchemy: Matter and Metamorphosis in Contemporary Digital Animation and Interface Design

The recent proliferation of special effects in Hollywood film has ushered in an era of digital transformation. Among scholars, digital technology is hailed as a revolutionary moment in the history of communication and representation. Nevertheless, media scholars and cultural historians have difficulty finding a language adequate to theorizing digital artifacts because they are not just texts to be deciphered. Rather, digital media artifacts also invite critiques about the status of reality because they resurrect ancient problems of embodiment and transcendence.In contrast to scholarly approaches to digital technology, computer engineers, interface designers, and special effects producers have invented a robust set of terms and phrases to describe the practice of digital animation. In order to address this disconnect between producers of new media and scholars of new media, I argue that the process of digital animation borrows extensively from a set of preexisting terms describing materiality that were prominent for centuries prior to the scientific revolution. Specifically, digital animators and interface designers make use of the ancient science, art, and technological craft of alchemy. Both alchemy and digital animation share several fundamental elements: both boast the power of being able to transform one material, substance, or thing into a different material, substance, or thing. Both seek to transcend the body and materiality but in the process, find that this elusive goal (realism and gold) is forever receding onto the horizon.The introduction begins with a literature review of the field of digital media studies. It identifies a gap in the field concerning disparate arguments about new media technology. On the one hand, scholars argue that new technologies like cyberspace and digital technology enable radical new forms of engagement with media on individual, social, and economic levels. At the same time that media scholars assert that our current epoch is marked by a historical rupture, many other researchers claim that new media are increasingly characterized by ancient metaphysical problems like embodiment and transcendence. In subsequent chapters I investigate this disparity

Exergy-based Planning and Thermography-based Monitoring for energy efficient buildings - Progress Report (KIT Scientific Reports ; 7632)

Designing and monitoring energy efficiency of buildings is vital since they account for up to 40% of end-use energy. In this study, exergy analysis is investigated as a life cycle design tool to strike a balance between thermodynamic efficiency of energy conversion and economic and environmental costs of construction. Quantitative geo-referenced thermography is proposed for monitoring and quantitative assessment via continued simulation and parameter estimation during the operating phase

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

Visualization of Four-Dimensional Spacetimes

Dokument1.pdf enthält den Text dieser Arbeit, Dokument2.html verweist auf elektronische Filme. In dieser Arbeit werden neue und verbesserte Methoden zur Visualisierung vierdimensionaler Raumzeiten dargestellt. Der erste Teil behandelt die flache Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie. Fragestellungen, die sich auf Beleuchtung, Farbsehen, Transformation von Eigenschaften des Lichts und die Kinematik beschleunigter Körper beziehen, werden diskutiert. Es wird gezeigt, wie relativistische Beleuchtungseffekte in bekannten Darstellungsverfahren berücksichtigt werden können. Relativistisches Radiosity und textur- und bildbasiertes relativistisches Rendering werden als neue Darstellungsmethoden vorgestellt. Interaktive virtuelle Umgebungen zur Erkundung der speziellen Relativitätstheorie werden beschrieben, einschließlich der Relativistic-Vehicle-Control-Metapher zur Navigation bei hohen Geschwindigkeiten. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt gekrümmte vierdimensionale Raumzeiten der allgemeinen Relativitätstheorie. Durch nichtlineares Raytracing wird die visuelle Wahrnehmung eines Beobachters in einer allgemeinrelativistischen Umgebung visualisiert. Es werden Erweiterungen des Raytracings in einer einzelnen Karte vorgeschlagen, um das differentialgeometrische Konzept eines Atlanten zu implementieren. Zudem wird gezeigt, wie die Visualisierung von Gravitationslinsen innerhalb eines Raytracing-Systems berücksichtigt werden kann. Der Caustic Finder wird eingeführt als eine numerische Methode zur Bestimmung der zweidimensionalen Kaustiken einer Gravitationslinse. Die innere Geometrie von zweidimensionalen räumlichen Hyperflächen kann durch isometrische Einbettung in den dreidimensionalen euklidschen Raum visualisiert werden. Eine Methode zur Einbettung von Flächen mit sphärischer Topologie wird beschrieben. Schließlich wird ein Algorithmus zur adaptiven Triangulierung von Höhenfeldern als eine spezielle Anwendung in der klassischen Visualisierung vorgestellt.Dokument1.pdf contains this text of the thesis, Dokument2.html is an index to accompanying electronic videos. In this thesis, new and improved methods for the visualization of four-dimensional spacetimes are presented. The first part of this thesis deals with the flat spacetime of special relativity. Issues of illumination, color vision, transformation of properties of light, and the kinematics of accelerating bodies are discussed. It is shown how relativistic effects on illumination can be included in well-known rendering techniques. Relativistic radiosity, texture-based relativistic rendering, and image-based relativistic rendering are proposed as new rendering methods. Interactive virtual environments for the exploration of special relativity are introduced, including the relativistic-vehicle-control metaphor for navigating at high velocities. The second part of the thesis deals with curved four-dimensional spacetimes of general relativity. Direct visualization of what an observer would see in a general relativistic setting is achieved by means of non-linear ray tracing. Extensions to single-chart general relativistic ray tracing are proposed to incorporate the differential-geometric concept of an atlas. Furthermore, it is shown how the visualization of gravitational lensing can be included in a ray tracing system. The caustic finder is proposed as a numerical method to identify two-dimensional caustic structures induced by a gravitational lens. The inner geometry of two-dimensional spatial hypersurfaces can be visualized by isometric embedding in three-dimensional Euclidean space. A method is described which can embed surfaces of spherical topology. Finally, an algorithm for the adaptive triangulation of height fields is presented as a specific application in classical visualization

Fidelity optimization in distributed virtual environments

In virtual environment systems, the ultimate goal is delivery of the highest-fidelity user experience possible. This dissertation shows that is possible to increase the scalability of distributed virtual environments (DVEs), in a tractable fashion, through a novel application of optimization techniques. Fidelity is maximized by utilizing the given display and network capacity in an optimal fashion, individually tuned for multiple users, in a manner most appropriate to a specific DVE application. This optimization is accomplished using the QUICK framework for managing the display and request of representations for virtual objects. Ratings of representation Quality, object Importance, and representation Cost are included in model descriptions as special annotations. The QUICK optimization computes the fidelity contribution of a representation by combining these annotations with specifications of user task and platform capability. This dissertation contributes the QUICK optimization algorithms; a software framework for experimentation; and associated general purpose formats for codifying Quality, Importance, Cost, task, and platform capability. Experimentation with the QUICK framework has shown overwhelming advantages in comparison with standard resource management techniqueshttp://www.archive.org/details/fidelityoptimiza00cappCivilian author.Approved for public release; distribution is unlimited