Omnidirectional texturing of human actors from multiple view video sequences

International audienceIn 3D video, recorded object behaviors can be observed from any viewpoint, because the 3D video registers the object's 3D shape and color. However, the real-world views are limited to the views from a number of cameras, so only a coarse model of the object can be recovered in real-time. It becomes then necessary to judiciously texture the object with images recovered from the cameras. One of the problems in multi-texturing is to decide what portion of the 3D model is visible from what camera. We propose a texture-mapping algorithm that tries to bypass the problem of exactly deciding if a point is visible or not from a certain camera. Given more than two color values for each pixel, a statistical test allows to exclude outlying color data before blending

Omnidirectional texturing of human actors from multiple view video sequences

National audienceCes dernières années, de plus en plus d'activités de recherche sont consacrées à l'étude de la vidéo tridimensionnelle, créée à partir de plusieurs flux vidéo. Le but est d'obtenir une vidéo free-viewpoint, où l'utilisateur peut observer d'un point de vue arbitraire, choisi de manière interactive, une scène filmée par plusieurs caméras. Les applications possibles sont diverses. Un système free-viewpoint peut augmenter le réalisme visuel de la technologie de téléprésence. De ce fait des utilisateurs situés physiquement en différents endroits peuvent collaborer à travers un même environnement virtuel. En outre, les effets spéciaux employés par l'industrie du film, comme ceux introduits dans le film Matrix (freeze-and-rotate), seraient rendus accessibles à tous les utilisateurs. Dans la plupart des applications de réalité virtuelle, nous cherchons à représenter des acteurs sous la forme d'avatar. C'est pourquoi la recherche est importante dans ce domaine. Pour les vidéos de type free-viewpoint, la scène est filmée simultanément par différentes caméras depuis plusieurs points de vue. Les flux vidéo obtenus par les caméras sont utilisés pour créer un modèle 3D de la scène. Cette reconstruction tridimensionnelle est indispensable pour que l'utilisateur puisse regarder la scène depuis n'importe quel point de vue. Dans le cadre de la réalité virtuelle, il est possible d'ajouter de nouveaux objets dans cette scène (objets virtuels) et de traiter les problèmes d'éclairage (ombres au sol, . . .), ainsi que les problèmes d'occultation [7, 8]. Le modèle 3D peut être décrit en utilisant différentes méthodes, telles que des maillages, des échantillons de points ou des voxels. Pour rendre le modèle plus réaliste, les flux vidéo provenant des caméras sont plaqués sur le modèle 3D. Finalement, en combinant le modèle 3D reconstruit et les différents flux vidéo, nous sommes capables de reconstruire un monde virtuel réaliste. Le but du stage effectué a été de réaliser le 'texturage' en temps réel d'un modèle 3D d'un animateur. L'étude a été effectuée dans le cadre du projet CYBER-II 2 . Ce projet vise à simuler, en temps réel (au minimum 25 images par secondes), la présence d'une personne (par exemple un présentateur de télévision ou un professeur) dans un environnement virtuel

Online accelerated rendering of visual hulls in real scenes

This paper presents an online system which is capable of reconstructing and rendering dynamic objects in real scenes. We reconstruct visual hulls of the objects by using a shape-from-silhouette approach. During rendering, a novel blending scheme is employed to compose multiple background images. Visibility artifacts on the dynamic object are removed by using opaque projective texture mapping. We also propose a dynamic texture packing technique to improve rendering performance by exploiting region-of-interest information. Our system takes multiple live or pre-recorded video streams as input. It produces realistic real-time rendering results of dynamic objects in their surrounding natural environment in which the user can freely navigate

Interactive mixed reality rendering in a distributed ray tracing framework

The recent availability of interactive ray tracing opened the way for new applications and for improving existing ones in terms of quality. Since today CPUs are still too slow for this purpose, the necessary computing power is obtained by connecting a number of machines and using distributed algorithms. Mixed reality rendering - the realm of convincingly combining real and virtual parts to a new composite scene - needs a powerful rendering method to obtain a photorealistic result. The ray tracing algorithm thus provides an excellent basis for photorealistic rendering and also advantages over other methods. It is worth to explore its abilities for interactive mixed reality rendering. This thesis shows the applicability of interactive ray tracing for mixed (MR) and augmented reality (AR) applications on the basis of the OpenRT framework. Two extensions to the OpenRT system are introduced and serve as basic building blocks: streaming video textures and in-shader AR view compositing. Streaming video textures allow for inclusion of the real world into interactive applications in terms of imagery. The AR view compositing mechanism is needed to fully exploit the advantages of modular shading in a ray tracer. A number of example applications from the entire spectrum of the Milgram Reality-Virtuality continuum illustrate the practical implications. An implementation of a classic AR scenario, inserting a virtual object into live video, shows how a differential rendering method can be used in combination with a custom build real-time lightprobe device to capture the incident light and include it into the rendering process to achieve convincing shading and shadows. Another field of mixed reality rendering is the insertion of real actors into a virtual scene in real-time. Two methods - video billboards and a live 3D visual hull reconstruction - are discussed. The implementation of live mixed reality systems is based on a number of technologies beside rendering and a comprehensive understanding of related methods and hardware is necessary. Large parts of this thesis hence deal with the discussion of technical implementations and design alternatives. A final summary discusses the benefits and drawbacks of interactive ray tracing for mixed reality rendering.Die Verfügbarkeit von interaktivem Ray-Tracing ebnet den Weg für neue Anwendungen, aber auch für die Verbesserung der Qualität bestehener Methoden. Da die heute verfügbaren CPUs noch zu langsam sind, ist es notwendig, mehrere Maschinen zu verbinden und verteilte Algorithmen zu verwenden. Mixed Reality Rendering - die Technik der überzeugenden Kombination von realen und synthetischen Teilen zu einer neuen Szene - braucht eine leistungsfähige Rendering-Methode um photorealistische Ergebnisse zu erzielen. Der Ray-Tracing-Algorithmus bietet hierfür eine exzellente Basis, aber auch Vorteile gegenüber anderen Methoden. Es ist naheliegend, die Möglichkeiten von Ray-Tracing für Mixed-Reality-Anwendungen zu erforschen. Diese Arbeit zeigt die Anwendbarkeit von interaktivem Ray-Tracing für Mixed-Reality (MR) und Augmented-Reality (AR) Anwendungen anhand des OpenRT-Systems. Zwei Erweiterungen dienen als Grundbausteine: Videotexturen und In-Shader AR View Compositing. Videotexturen erlauben die reale Welt in Form von Bildern in den Rendering-Prozess mit einzubeziehen. Der View-Compositing-Mechanismus is notwendig um die Modularität einen Ray-Tracers voll auszunutzen. Eine Reihe von Beispielanwendungen von beiden Enden des Milgramschen Reality-Virtuality-Kontinuums verdeutlichen die praktischen Aspekte. Eine Implementierung des klassischen AR-Szenarios, das Einfügen eines virtuellen Objektes in eine Live-Übertragung zeigt, wie mittels einer Differential Rendering Methode und einem selbstgebauten Gerät zur Erfassung des einfallenden Lichts realistische Beleuchtung und Schatten erzielt werden können. Ein anderer Anwendungsbereich ist das Einfügen einer realen Person in eine künstliche Szene. Hierzu werden zwei Methoden besprochen: Video-Billboards und eine interaktive 3D Rekonstruktion. Da die Implementierung von Mixed-Reality-Anwendungen Kentnisse und Verständnis einer ganzen Reihe von Technologien nebem dem eigentlichen Rendering voraus setzt, ist eine Diskussion der technischen Grundlagen ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit. Dies ist notwenig, um die Entscheidungen für bestimmte Designalternativen zu verstehen. Den Abschluss bildet eine Diskussion der Vor- und Nachteile von interaktivem Ray-Tracing für Mixed Reality Anwendungen

Interactive mixed reality rendering in a distributed ray tracing framework

The recent availability of interactive ray tracing opened the way for new applications and for improving existing ones in terms of quality. Since today CPUs are still too slow for this purpose, the necessary computing power is obtained by connecting a number of machines and using distributed algorithms. Mixed reality rendering - the realm of convincingly combining real and virtual parts to a new composite scene - needs a powerful rendering method to obtain a photorealistic result. The ray tracing algorithm thus provides an excellent basis for photorealistic rendering and also advantages over other methods. It is worth to explore its abilities for interactive mixed reality rendering. This thesis shows the applicability of interactive ray tracing for mixed (MR) and augmented reality (AR) applications on the basis of the OpenRT framework. Two extensions to the OpenRT system are introduced and serve as basic building blocks: streaming video textures and in-shader AR view compositing. Streaming video textures allow for inclusion of the real world into interactive applications in terms of imagery. The AR view compositing mechanism is needed to fully exploit the advantages of modular shading in a ray tracer. A number of example applications from the entire spectrum of the Milgram Reality-Virtuality continuum illustrate the practical implications. An implementation of a classic AR scenario, inserting a virtual object into live video, shows how a differential rendering method can be used in combination with a custom build real-time lightprobe device to capture the incident light and include it into the rendering process to achieve convincing shading and shadows. Another field of mixed reality rendering is the insertion of real actors into a virtual scene in real-time. Two methods - video billboards and a live 3D visual hull reconstruction - are discussed. The implementation of live mixed reality systems is based on a number of technologies beside rendering and a comprehensive understanding of related methods and hardware is necessary. Large parts of this thesis hence deal with the discussion of technical implementations and design alternatives. A final summary discusses the benefits and drawbacks of interactive ray tracing for mixed reality rendering.Die Verfügbarkeit von interaktivem Ray-Tracing ebnet den Weg für neue Anwendungen, aber auch für die Verbesserung der Qualität bestehener Methoden. Da die heute verfügbaren CPUs noch zu langsam sind, ist es notwendig, mehrere Maschinen zu verbinden und verteilte Algorithmen zu verwenden. Mixed Reality Rendering - die Technik der überzeugenden Kombination von realen und synthetischen Teilen zu einer neuen Szene - braucht eine leistungsfähige Rendering-Methode um photorealistische Ergebnisse zu erzielen. Der Ray-Tracing-Algorithmus bietet hierfür eine exzellente Basis, aber auch Vorteile gegenüber anderen Methoden. Es ist naheliegend, die Möglichkeiten von Ray-Tracing für Mixed-Reality-Anwendungen zu erforschen. Diese Arbeit zeigt die Anwendbarkeit von interaktivem Ray-Tracing für Mixed-Reality (MR) und Augmented-Reality (AR) Anwendungen anhand des OpenRT-Systems. Zwei Erweiterungen dienen als Grundbausteine: Videotexturen und In-Shader AR View Compositing. Videotexturen erlauben die reale Welt in Form von Bildern in den Rendering-Prozess mit einzubeziehen. Der View-Compositing-Mechanismus is notwendig um die Modularität einen Ray-Tracers voll auszunutzen. Eine Reihe von Beispielanwendungen von beiden Enden des Milgramschen Reality-Virtuality-Kontinuums verdeutlichen die praktischen Aspekte. Eine Implementierung des klassischen AR-Szenarios, das Einfügen eines virtuellen Objektes in eine Live-Übertragung zeigt, wie mittels einer Differential Rendering Methode und einem selbstgebauten Gerät zur Erfassung des einfallenden Lichts realistische Beleuchtung und Schatten erzielt werden können. Ein anderer Anwendungsbereich ist das Einfügen einer realen Person in eine künstliche Szene. Hierzu werden zwei Methoden besprochen: Video-Billboards und eine interaktive 3D Rekonstruktion. Da die Implementierung von Mixed-Reality-Anwendungen Kentnisse und Verständnis einer ganzen Reihe von Technologien nebem dem eigentlichen Rendering voraus setzt, ist eine Diskussion der technischen Grundlagen ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit. Dies ist notwenig, um die Entscheidungen für bestimmte Designalternativen zu verstehen. Den Abschluss bildet eine Diskussion der Vor- und Nachteile von interaktivem Ray-Tracing für Mixed Reality Anwendungen

Méthodes de rendu à base de vidéos et applications à la réalité Virtuelle

Given a set images of the same scene, the goal of video-based rendering methods is to compute new views of this scene from new viewpoints. The user of this system controls the virtual camera's movement through the scene. Nevertheless, the virtual images are computed from static cameras. A first approach is based on a reconstruction of the scene and can provide accurate models but often requires lengthy computation before visualization. Other methods try to achieve real-time rendering. Our main contribution to video-base rendering concerns the plane sweep method which belongs to the latter family. The plane sweep method divides space in parallel planes. Each point of each plane is processed independently in order to know if it lies on the surface of an object of the scene. These informations are used to compute a new view of the scene from a new viewpoint. This method is well suited to an implementation using graphic hardware and thus to reach realtime rendering. Our main contribution to this method concerns the way to consider whether a point of a plane lies on the surface of an object of the scene. We first propose a new scoring method increasing the visual quality of the new images. Compared with previous approaches, this method implies fewer constraints on the position of the virtaul camera, i.e. this camera does not need to lie between the input camera's area. We also present an adaptation of the plane sweep algorithm that handles partial occlusions. According to video-based rendering practical applications in virtual reality, we propose an improvement of the plane sweep method dealing with stereoscopic images computation that provides visualization of the virtual scene in relief. Our enhancement provides the second view with only low additional computation time whereas most of the others techniques require to render the scene twice. This improvement is based on a sharing of the informations common to the two stereoscopic views. Finally, we propose a method that removes pseudoscopic movements in a virtual reality application. These pseudoscopic movements appear when the observer moves in front of the stereoscopic screen. Then the scene roportions seem to be distorted and the observer sees the objects of the scene moving in an anormal way. The method we propose is available either on a classical stereoscopic rendering method or on the Plane Seep algorithm. Every method we propose widely uses graphic harware through to shader programs and provides real-time rendering. These methods only require a standard computer, a video acquisition device and a powerful enough graphic card. There exists a lot of practicalapplications of the plane sweep method, especially in fields like virtual reality, video games, 3d television or security.Etant donné un ensemble de caméras filmant une même scène, le rendu à base de vidéos consiste à générer de nouvelles images de cette scène à partir de nouveaux points de vue. L'utilisateur a ainsi l'impression de pouvoir déplacer une caméra virtuelle dans la scène alors qu'en réalité, toutes les caméras sont fixes. Certaines méthodes de rendu à base de vidéos coûteuses en temps de calcul se basent sur une reconstruction 3d de la scène et produisent des images de très bonne qualité. D'autres méthodes s'orientent plutôt vers le rendu temps réel. C'est dans cette dernière catégorie que s'inscrit la méthode de Plane Sweep sur laquelle porte la majeure partie de nos travaux. Le principe de la méthode des Plane Sweep consiste à discrétiser la scène en plans parallèles et à traiter séparément chaque point de ces plans afin de déterminer s'ils se trouvent ou non sur la surface d'un objet de la scène. Les résultats obtenus permettent de générer une nouvelle image de la scène à partir d'un nouveau point de vue. Cette méthode est particulièrement bien adaptée à une utilisation optimale des ressources de la carte graphique ce qui explique qu'elle permette d'effectuer du rendu en temps réel. Notre principale contribution à cette méthode concerne la façon d'estimer si un point d'un plan représente la surface d'un objet. Nous proposons d'une part un nouveau mode de calcul permettant d'améliorer le résultat visuel tout en rendant la navigation de la caméra virtuelle plus souple. D'autre part, nous présentons une adaptation de la méthode des Plane Sweep permettant de gérer les occlusions partielles. Compte tenu des applications du rendu à base de vidéos en réalité virtuelle, nous proposons une amélioration des Plane Sweep appliquée à la réalité virtuelle avec notamment la création de paires d'images stéréoscopiques permettant de visualiser en relief la scène reconstruite. Notre amélioration consiste à calculer la seconde vue à moindre coût alors qu'une majorité des méthodes concurrentes sont contraintes d'effectuer deux rendus indépendants. Cette amélioration est basée sur un partage des données communes aux deux vues stéréoscopiques. Enfin, dans le cadre de l'utilisation des Plane Sweep en réalité virtuelle, nous présentons une méthode permettant de supprimer les mouvements pseudoscopiques. Ces mouvements pseudoscopiques apparaissent lorsque l'observateur se déplace devant une image stéréoscopique, il ressent alors une distorsion des proportions de la scène virtuelle et voit les objets se déplacer de façon anormale. La méthode de correction que nous proposons est applicable d'une part à des méthodes classiques de rendu d'images de synthèse et d'autre part à la méthode des Plane Sweep. Toutes les méthodes que nous présentons utilisent largement les possibilités du processeur de la carte graphique à l'aide des shader programs et génèrent toutes des images en temps réel. Seuls un ordinateur grand public, un dispositif d'acquisition vidéo et une bonne carte graphique sont suffisants pour les faire fonctionner. Les applications des Plane Sweep sont nombreuses, en particulier dans les domaines de la réalité virtuelle, du jeu vidéo, de la télévision 3d ou de la sécurité