A custom designed density estimation method for light transport

We present a new Monte Carlo method for solving the global illumination problem in environments with general geometry descriptions and light emission and scattering properties. Current Monte Carlo global illumination algorithms are based on generic density estimation techniques that do not take into account any knowledge about the nature of the data points --- light and potential particle hit points --- from which a global illumination solution is to be reconstructed. We propose a novel estimator, especially designed for solving linear integral equations such as the rendering equation. The resulting single-pass global illumination algorithm promises to combine the flexibility and robustness of bi-directional path tracing with the efficiency of algorithms such as photon mapping

Foundations of realistic rendering : a mathematical approach

Die vorliegende Dissertation ist keine gewöhnliche Abhandlung, sondern sie ist als Lehrbuch zum realistischen Rendering für Studenten im zweiten Studienabschnitt, sowie Forscher und am Thema Interessierte konzipiert. Aus mathematischer Sicht versteht man unter realistischem Rendering das Lösen der stationären Lichttransportgleichung, einer komplizierten Fredholm Integralgleichung der 2tenArt, deren exakte Lösung, wenn überhaupt berechenbar, nur in einem unendlich- dimensionalen Funktionenraum existiert. Während in den existierenden Büchern, die sich mit globaler Beleuchtungstheorie beschäftigen, vorwiegend die praktische Implementierung von Lösungsansätzen im Vordergrund steht, sind wir eher daran interessiert, den Leser mit den mathematischen Hilfsmitteln vertraut zu machen, mit welchen das globale Beleuchtungsproblem streng mathematisch formuliert und letzendlich auch gelöst werden kann. Neue, effzientere und elegantere Algorithmen zur Berechnung zumindest approxima- tiver Lösungen der Lichttransportgleichung und ihrer unterschiedlichen Varianten können nur im Kontext mit einem vertieften Verständnis der Lichttransportgleichung entwickelt werden. Da die Probleme des realistischen Renderings tief in verschiedenen mathematis- chen Disziplinen verwurzelt sind, setzt das vollständige Verständnis des globalen Beleuch- tungsproblems Kenntnisse aus verschiedenen Bereichen der Mathematik voraus. Als zen- trale Konzepte kristallisieren sich dabei Prinzipien der Funktionalanalysis, der Theorie der Integralgleichungen, der Maß- und Integrationstheorie sowie der Wahrscheinlichkeitstheo- rie heraus. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, dieses Knäuel an mathematischen Konzepten zu entflechten, sie für Studenten verständlich darzustellen und ihnen bei Bedarf und je nach speziellem Interesse erschöpfend Auskunft zu geben.The available doctoral thesis is not a usual paper but it is conceived as a text book for realistic rendering, made for students in upper courses, as well as for researchers and interested people. From mathematical point of view, realistic rendering means solving the stationary light transport equation, a complicated Fredholm Integral equation of 2nd kind. Its exact solution exists|if possible at all|in an infinite dimensional functional space. Whereas practical implementation of approaches for solving problems are in the center of attentionin the existing textbooks that treat global illumination theory, we are more interested in familiarizing our reader with the mathematical tools which permit them to formulate the global illumination problem in accordance with strong mathematical principles and last but not least to solve it. New, more eficient and more elegant algorithms to calculate approximate solutions for the light transport equation and their different variants must be developed in the context of deep and complete understanding of the light transport equation. As the problems of realistic rendering are deeply rooted in different mathematical disciplines, there must precede the complete comprehension of all those areas. There are evolving principles of functional analysis, theory of integral equations, measure and integration theory as well as probability theory. We have set ourselves the target to remerge this bundle of fluff of mathematical concepts and principles, to represent them to the students in an understandable manner, and to give them, if required, exhaustive information

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

Thermal radiation view factor: Methods, accuracy and computer-aided procedures

The computer aided thermal analysis programs which predicts the result of predetermined acceptable temperature range prior to stationing of these orbiting equipment in various attitudes with respect to the Sun and the Earth was examined. Complexity of the surface geometries suggests the use of numerical schemes for the determination of these viewfactors. Basic definitions and standard methods which form the basis for various digital computer methods and various numerical methods are presented. The physical model and the mathematical methods on which a number of available programs are built are summarized. The strength and the weaknesses of the methods employed, the accuracy of the calculations and the time required for computations are evaluated. The situations where accuracies are important for energy calculations are identified and methods to save computational times are proposed. Guide to best use of the available programs at several centers and the future choices for efficient use of digital computers are included in the recommendations

Information theoretic refinement criteria for image synthesis

Aquest treball està enmarcat en el context de gràfics per computador partint de la intersecció de tres camps: rendering, teoria de la informació, i complexitat.Inicialment, el concepte de complexitat d'una escena es analitzat considerant tres perspectives des d'un punt de vista de la visibilitat geomètrica: complexitat en un punt interior, complexitat d'una animació, i complexitat d'una regió. L'enfoc principal d'aquesta tesi és l'exploració i desenvolupament de nous criteris de refinament pel problema de la il·luminació global. Mesures de la teoria de la informació basades en la entropia de Shannon i en la entropia generalitzada de Harvda-Charvát-Tsallis, conjuntament amb les f-divergències, són analitzades com a nuclis del refinement. Mostrem com ens aporten una rica varietat d'eficients i altament discriminatòries mesures que són aplicables al rendering en els seus enfocs de pixel-driven (ray-tracing) i object-space (radiositat jeràrquica).Primerament, basat en la entropia de Shannon, es defineixen un conjunt de mesures de qualitat i contrast del pixel. S'apliquen al supersampling en ray-tracing com a criteris de refinement, obtenint un algorisme nou de sampleig adaptatiu basat en entropia, amb un alt rati de qualitat versus cost. En segon lloc, basat en la entropia generalitzada de Harvda-Charvát-Tsallis, i en la informació mutua generalitzada, es defineixen tres nous criteris de refinament per la radiositat jeràrquica. En correspondencia amb tres enfocs clàssics, es presenten els oracles basats en la informació transportada, el suavitzat de la informació, i la informació mutua, amb resultats molt significatius per aquest darrer. Finalment, tres membres de la familia de les f-divergències de Csiszár's (divergències de Kullback-Leibler, chi-square, and Hellinger) son analitzats com a criteris de refinament mostrant bons resultats tant pel ray-tracing com per la radiositat jeràrquica.This work is framed within the context of computer graphics starting out from the intersection of three fields: rendering, information theory, and complexity.Initially, the concept of scene complexity is analysed considering three perspectives from a geometric visibility point of view: complexity at an interior point, complexity of an animation, and complexity of a region. The main focus of this dissertation is the exploration and development of new refinement criteria for the global illumination problem. Information-theoretic measures based on Shannon entropy and Harvda-Charvát-Tsallis generalised entropy, together with f-divergences, are analysed as kernels of refinement. We show how they give us a rich variety of efficient and highly discriminative measures which are applicable to rendering in its pixel-driven (ray-tracing) and object-space (hierarchical radiosity) approaches.Firstly, based on Shannon entropy, a set of pixel quality and pixel contrast measures are defined. They are applied to supersampling in ray-tracing as refinement criteria, obtaining a new entropy-based adaptive sampling algorithm with a high rate quality versus cost. Secondly, based on Harvda-Charvát-Tsallis generalised entropy, and generalised mutual information, three new refinement criteria are defined for hierarchical radiosity. In correspondence with three classic approaches, oracles based on transported information, information smoothness, and mutual information are presented, with very significant results for the latter. And finally, three members of the family of Csiszár's f-divergences (Kullback-Leibler, chi-square, and Hellinger divergences) are analysed as refinement criteria showing good results for both ray-tracing and hierarchical radiosity

Efficient From-Point Visibility for Global Illumination in Virtual Scenes with Participating Media

Sichtbarkeitsbestimmung ist einer der fundamentalen Bausteine fotorealistischer Bildsynthese. Da die Berechnung der Sichtbarkeit allerdings äußerst kostspielig zu berechnen ist, wird nahezu die gesamte Berechnungszeit darauf verwendet. In dieser Arbeit stellen wir neue Methoden zur Speicherung, Berechnung und Approximation von Sichtbarkeit in Szenen mit streuenden Medien vor, die die Berechnung erheblich beschleunigen, dabei trotzdem qualitativ hochwertige und artefaktfreie Ergebnisse liefern

Path manipulation strategies for rendering dynamic environments.

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