Fast Non-Linear Projections using Graphics Hardware

http://artis.imag.fr/Publications/2008/GHFP08/International audienceLinear perspective projections are used extensively in graphics. They provide a non-distorted view, with simple computations that map easily to hardware. Non-linear projections, such as the view given by a fish-eye lens are also used, either for artistic reasons or in order to provide a larger field of view, e.g. to approximate environment reflections or omnidirectional shadow maps. As the computations related to non-linear projections are more involved, they are harder to implement, especially in hardware, and have found little use so far in practical applications. In this paper, we apply existing methods for non-linear projections [Lloyd et al. 2006; Hou et al. 2006; Fournier 2005] to a specific class: non-linear projections with a single center of projection, radial symmetry and convexity. This class includes, but is not limited to, paraboloid projections, hemispherical projections and fish-eye lenses. We show that, for this class, the projection of a 3D triangle is a single curved triangle, and we give a mathematical analysis of the curved edges of the triangle; this analysis allows us to reduce the computations involved, and to provide a faster implementation. The overhead for non-linearity is bearable and can be balanced with the fact that a single nonlinear projection can replaces as many as five linear projections (in a hemicube), with less discontinuities and a smaller memory cost, thus making non-linear projections a practical alternative. More at http://artis.imag.fr/Publications/2008/GHFP0

Parallele Simulation der globalen Beleuchtung in komplexen Architekturmodellen

von Olaf SchmidtPaderborn, Univ.-GH, Diss., 200

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

Perceptually-motivated, interactive rendering and editing of global illumination

This thesis proposes several new perceptually-motivated techniques to synthesize, edit and enhance depiction of three-dimensional virtual scenes. Finding algorithms that fit the perceptually economic middle ground between artistic depiction and full physical simulation is the challenge taken in this work. First, we will present three interactive global illumination rendering approaches that are inspired by perception to efficiently depict important light transport. Those methods have in common to compute global illumination in large and fully dynamic scenes allowing for light, geometry, and material changes at interactive or real-time rates. Further, this thesis proposes a tool to edit reflections, that allows to bend physical laws to match artistic goals by exploiting perception. Finally, this work contributes a post-processing operator that depicts high contrast scenes in the same way as artists do, by simulating it "seen'; through a dynamic virtual human eye in real-time.Diese Arbeit stellt eine Anzahl von Algorithmen zur Synthese, Bearbeitung und verbesserten Darstellung von virtuellen drei-dimensionalen Szenen vor. Die Herausforderung liegt dabei in der Suche nach Ausgewogenheit zwischen korrekter physikalischer Berechnung und der künstlerischen, durch die Gesetze der menschlichen Wahrnehmung motivierten Praxis. Zunächst werden drei Verfahren zur Bild-Synthese mit globaler Beleuchtung vorgestellt, deren Gemeinsamkeit in der effizienten Handhabung großer und dynamischer virtueller Szenen liegt, in denen sich Geometrie, Materialen und Licht frei verändern lassen. Darauffolgend wird ein Werkzeug zum Editieren von Reflektionen in virtuellen Szenen das die menschliche Wahrnehmung ausnutzt um künstlerische Vorgaben umzusetzen, vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem Filter am Ende der Verarbeitungskette, der den wahrgenommen Kontrast in einem Bild erhöht, indem er die Entstehung von Glanzeffekten im menschlichen Auge nachbildet

LightSkin: Globale Echtzeitbeleuchtung für Virtual und Augmented Reality

In nature, each interaction of light is bound to a global context. Thus, each observable natural light phenomenon is the result of global illumination. It is based on manifold laws of absorption, reflection, and refraction, which are mostly too complex to simulate given the real-time constraints of interactive applications. Therefore, many interactive applications do not support the simulation of those global illumination phenomena yet, which results in unrealistic and synthetic-looking renderings. This unrealistic rendering becomes especially a problem in the context of virtual reality and augmented reality applications, where the user should experience the simulation as realistic as possible. In this thesis we present a novel approach called LightSkin that calculates global illumination phenomena in real-time. The approach was especially developed for virtual reality and augmented reality applications satisfying several constraints coming along with those applications. As part of the approach we introduce a novel interpolation scheme, which is capable to calculate realistic indirect illumination results based on a few number of supporting points, distributed on model surfaces. Each supporting point creates its own proxy light sources, which are used to represent the whole indirect illumination for this point in a compact manner. These proxy light sources are then linearly interpolated to obtain dense results for the entire visible scene. Due to an efficient implementation on GPU, the method is very fast supporting complex and dynamic scenes. Based on the approach, it is possible to simulate diffuse and glossy indirect reflections, soft shadows, and multiple subsurface scattering phenomena without neglecting filigree surface details. Furthermore, the method can be adapted to augmented reality applications providing mutual global illumination effects between dynamic real and virtual objects using an active RGB-D sensor device. In contrast to existing interactive global illumination approaches, our approach supports all kinds of animations, handling them more efficient, not requiring extra calculations or leading to disturbing temporal artifacts. This thesis contains all information needed to understand, implement, and evaluate the novel LightSkin approach and also provides a comprehensive overview of the related field of research.In der Natur ist jede Interaktion des Lichts mit Materie in einen globalen Kontext eingebunden, weswegen alle natürlichen Beleuchtungsphänomene in unserer Umwelt das Resultat globaler Beleuchtung sind. Diese basiert auf der Anwendung mannigfaltiger Absorptions-, Reflexions- und Brechungsgesetze, deren Simulation so komplex ist, dass interaktive Anwendungen diese nicht in wenigen Millisekunden berechnen können. Deshalb wurde bisher in vielen interaktiven Systemen auf die Abbildung von solchen globalen Beleuchtungsphänomenen verzichtet, was jedoch zu einer unrealistischen und synthetisch-wirkenden Darstellung führte. Diese unrealistische Darstellung ist besonders für die Anwendungsfelder Virtual Reality und Augmented Reality, bei denen der Nutzer eine möglichst realitätsnahe Simulation erfahren soll, ein gewichtiger Nachteil. In dieser Arbeit wird das LightSkin-Verfahren vorgestellt, das es erlaubt, globale Beleuchtungsphänomene in einer Echtzeitanwendung darzustellen. Das Verfahren wurde speziell für die Anwendungsfelder Virtual Reality und Augmented Reality entwickelt und erfüllt spezifische Anforderungen, die diese an eine Echtzeitanwendung stellen. Bei dem Verfahren wird das indirekte Licht durch eine geringe Anzahl von Punktlichtquellen (Proxy-Lichtquellen) repräsentiert, die für eine lose Menge von Oberflächenpunkten (Caches) berechnet und anschließend über die komplette sichtbare Szene interpoliert werden. Diese neue Form der Repräsentation der indirekten Beleuchtung erlaubt eine effiziente Berechnung von diffusen und glänzenden indirekten Reflexionen, die Abbildung von weichen Schatten und die Simulation von Multiple-Subsurface-Scattering-Effekten in Echtzeit für komplexe und voll dynamische Szenen. Ferner wird gezeigt, wie das Verfahren modifiziert werden kann, um globale Lichtwechselwirkungen zwischen realen und virtuellen Objekten in einer Augmented-Reality-Anwendung zu simulieren. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Echtzeitverfahren zur Simulation von globalen Beleuchtungseffekten benötigt der hier vorgestellte Ansatz keine aufwändigen zusätzlichen Berechnungen bei Animationen und erzeugt darüber hinaus für diese keine visuellen Artefakte. Diese Arbeit enthält alle Informationen, die zum Verständnis, zur Implementierung und zur Evaluation des LightSkin-Verfahrens benötigt werden und gibt darüber hinaus einen umfassenden Über- blick über das Forschungsfeld

Contribución al desarrollo de factores de configuración de bolas de fuego con presencia de obstáculos

Fire is the most common phenomenon that characterizes major accidents that take place in both industrial establishments and in the transport of dangerous goods by road and rail. The formation of a fireball, with or without a BLEVE, is characterized by the strong emission of thermal radiation, capable of causing lethal damage and irreversible injuries to people located at a significant distance. Although the knowledge about this type of accident has improved substantially, are still occurring eventually, so it is necessary to develop proposals aimed at reducing the effects of their consequences. This thesis has as main objective the development of new configuration factors between a fireball and a vulnerable target, considering the shadow effect of a third surface interposed between them. This approach defines a scenario of great practical utility, such as it is the implementation of physical barriers, not considered so far for the prediction of the consequences of major accidents of fireballs over their surroundings. In the literature review, no references has been found related with the raised hypothesis, so it will be in this research the first time they are published, for two particular cases: aboveground and elevated fireball. A novel mathematical method has been developed to determine the configuration factor under the conditions described above, which provides accurate results with reduced execution time and computational cost. Moreover, mathematical equations have been derived, through a semi-analytical method, that allow an acceptable approximation of these factors. The results of this research have allowed the development of a new mathematical model of dynamic fireball considering the shadow effect, whose m a in novelty is that the transitory regime of the fireball evolves through different regions in which the relative visibility can be total, partial and null. Physical barrier design criteria are established to limit the effects of thermal radiation, which until now was limited to walls designed to withstand the shock wave and the hypothetical impact of fragments. It can be integrated into risk analysis methodologies related to land use planning. In summary, this thesis provides knowledge and tools on an effect not considered so farEl incendio es el fenómeno más frecuente que caracteriza a los accidentes graves que tienen lugar tanto en establecimientos industriales como en el transporte de mercancías peligrosas por carretera y ferrocarril. La formación de una bola de fuego, aislada o como parte de una BLEVE, se caracteriza por la emisión de una intensa radiación térmica, capaz de causar daños letales e irreversibles a personas situadas a una distancia significativa. A pesar de que el conocimiento acerca de este tipo de accidente ha mejorado de forma sustancial, se siguen produciendo eventualmente, por lo que es necesario desarrollar propuestas encaminadas a reducir los efectos de sus consecuencias. Esta tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de factores de configuración entre una bola de fuego y un receptor vulnerable, considerando el efecto sombra que ejerce una tercera superficie interpuesta entre ambos. Este planteamiento define un escenario de gran utilidad práctica, como es la implantación de barreras físicas, no considerado hasta el momento para la predicción de las consecuencias de accidentes graves con bolas de fuego sobre su entorno próximo. No se han encontrado en la bibliografía factores de configuración para la hipótesis planteada, por lo que será en esta tesis la primera vez que se publiquen, para dos casos particulares: de bola de fuego a ras de suelo y elevada. Se ha desarrollado un método matemático propio para determinar el factor de configuración en las condiciones descritas anteriormente, que proporciona unos resultados de gran precisión, con reducido tiempo de ejecución y coste computacional. También se han obtenido ecuaciones matemáticas, a través de un método semi-analítico, que permiten realizar una aproximación aceptable de dichos factores. Los resultados de esta investigación han permitido desarrollar un nuevo modelo matemático de bola de fuego dinámica considerando el efecto sombra, cuya principal novedad es que el régimen transitorio de la bola de fuego evoluciona a través de diferentes regiones en las que la visibilidad relativa puede ser nula, parcial y total. Se establecen criterios de diseño de barreras físicas para limitar los efectos de la radiación térmica, conocimiento que hasta el momento se limitaba a muros diseñados para resistir la onda de choque y el hipotético impacto de fragmentos. Puede integrarse en metodologías de análisis del riesgo relacionadas con la planificación del uso del suelo. En síntesis, esta tesis proporciona conocimientos y herramientas sobre un efecto no considerado hasta el moment

Contribución al desarrollo de factores de configuración de bolas de fuego con presencia de obstáculos

Fire is the most common phenomenon that characterizes major accidents that take place in both industrial establishments and in the transport of dangerous goods by road and rail. The formation of a fireball, with or without a BLEVE, is characterized by the strong emission of thermal radiation, capable of causing lethal damage and irreversible injuries to people located at a significant distance. Although the knowledge about this type of accident has improved substantially, are still occurring eventually, so it is necessary to develop proposals aimed at reducing the effects of their consequences. This thesis has as main objective the development of new configuration factors between a fireball and a vulnerable target, considering the shadow effect of a third surface interposed between them. This approach defines a scenario of great practical utility, such as it is the implementation of physical barriers, not considered so far for the prediction of the consequences of major accidents of fireballs over their surroundings. In the literature review, no references has been found related with the raised hypothesis, so it will be in this research the first time they are published, for two particular cases: aboveground and elevated fireball. A novel mathematical method has been developed to determine the configuration factor under the conditions described above, which provides accurate results with reduced execution time and computational cost. Moreover, mathematical equations have been derived, through a semi-analytical method, that allow an acceptable approximation of these factors. The results of this research have allowed the development of a new mathematical model of dynamic fireball considering the shadow effect, whose m a in novelty is that the transitory regime of the fireball evolves through different regions in which the relative visibility can be total, partial and null. Physical barrier design criteria are established to limit the effects of thermal radiation, which until now was limited to walls designed to withstand the shock wave and the hypothetical impact of fragments. It can be integrated into risk analysis methodologies related to land use planning. In summary, this thesis provides knowledge and tools on an effect not considered so farEl incendio es el fenómeno más frecuente que caracteriza a los accidentes graves que tienen lugar tanto en establecimientos industriales como en el transporte de mercancías peligrosas por carretera y ferrocarril. La formación de una bola de fuego, aislada o como parte de una BLEVE, se caracteriza por la emisión de una intensa radiación térmica, capaz de causar daños letales e irreversibles a personas situadas a una distancia significativa. A pesar de que el conocimiento acerca de este tipo de accidente ha mejorado de forma sustancial, se siguen produciendo eventualmente, por lo que es necesario desarrollar propuestas encaminadas a reducir los efectos de sus consecuencias. Esta tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de factores de configuración entre una bola de fuego y un receptor vulnerable, considerando el efecto sombra que ejerce una tercera superficie interpuesta entre ambos. Este planteamiento define un escenario de gran utilidad práctica, como es la implantación de barreras físicas, no considerado hasta el momento para la predicción de las consecuencias de accidentes graves con bolas de fuego sobre su entorno próximo. No se han encontrado en la bibliografía factores de configuración para la hipótesis planteada, por lo que será en esta tesis la primera vez que se publiquen, para dos casos particulares: de bola de fuego a ras de suelo y elevada. Se ha desarrollado un método matemático propio para determinar el factor de configuración en las condiciones descritas anteriormente, que proporciona unos resultados de gran precisión, con reducido tiempo de ejecución y coste computacional. También se han obtenido ecuaciones matemáticas, a través de un método semi-analítico, que permiten realizar una aproximación aceptable de dichos factores. Los resultados de esta investigación han permitido desarrollar un nuevo modelo matemático de bola de fuego dinámica considerando el efecto sombra, cuya principal novedad es que el régimen transitorio de la bola de fuego evoluciona a través de diferentes regiones en las que la visibilidad relativa puede ser nula, parcial y total. Se establecen criterios de diseño de barreras físicas para limitar los efectos de la radiación térmica, conocimiento que hasta el momento se limitaba a muros diseñados para resistir la onda de choque y el hipotético impacto de fragmentos. Puede integrarse en metodologías de análisis del riesgo relacionadas con la planificación del uso del suelo. En síntesis, esta tesis proporciona conocimientos y herramientas sobre un efecto no considerado hasta el momentoPostprint (published version