Fragment-History Volumes

Hardware-based triangle rasterization is still the prevalent method for generating images at real-time interactive frame rates. With the availability of a programmable graphics pipeline a large variety of techniques are supported for evaluating lighting and material properties of fragments. However, these techniques are usually restricted to evaluating local lighting and material effects. In addition, view-point changes require the complete processing of scene data to generate appropriate images. Reusing already rendered data in the frame buffer for a given view point by warping for a new viewpoint increases navigation fidelity at the expense of introducing artifacts for fragments previously hidden from the viewer. We present fragment-history volumes (FHV), a rendering technique based on a sparse, discretized representation of a 3d scene that emerges from recording all fragments that pass the rasterization stage in the graphics pipeline. These fragments are stored into per-pixel or per-octant lists for further processing; essentially creating an A-buffer. FHVs using per-octant fragment lists are view independent and allow fast resampling for image generation as well as for using more sophisticated approaches to evaluate material and lighting properties, eventually enabling global-illumination evaluation in the standard graphics pipeline available on current hardware. We show how FHVs are stored on the GPU in several ways, how they are created, and how they can be used for image generation at high rates. We discuss results for different usage scenarios, variations of the technique, and some limitations

Developing an efficient algorithm for computing Solar Radiation Pressure

The main goal for this master's degree final thesis is to propose an alternative way of computing solar radiation pressure. Solar radiation pressure is the impact of the photons emitted by the Sun onto a satellite. This impact generates acceleration that is important to model satellite's motion

Interactive Global Illumination Effects Using Deterministically Directed Layered Depth Maps

A layered depth map is an extension of the well-known depth map used in rasterization. Multiple layered depth maps can be used as a coarse scene representation. We develop two global illumination methods which use said scene representation. The first is an interactive ambient occlusion method. The second is an interactive single-bounce indirect lighting method based on photon differentials. All of this is implemented in a rasterization-based pipeline

Algorithmes de résolution rapide de problèmes mécaniques sur GPU

Dans le contexte de l'analyse numérique en calcul de structures, la génération de maillages conformes sur des modèles à géométrie complexe conduit à des tailles de modèles importantes, et amène à imaginer de nouvelles approches éléments finis. Le temps de génération d'un maillage est directement lié à la complexité de la géométrie, augmentant ainsi considérablement le temps de calcul global. Les processeurs graphiques (GPU) offrent de nouvelles opportunités pour le calcul en temps réel. L'architecture grille des GPU a été utilisée afin d'implémenter une méthode éléments finis sur maillage cartésien. Ce maillage est particulièrement adapté à la parallélisation souhaitée par les processeurs graphiques et permet un gain de temps important par rapport à un maillage conforme à la géométrie. Les formulations de la méthode des éléments finis ainsi que de la méthode des éléments finis étendue ont été reprises afin d'être adaptées à notre méthode. La méthode des éléments finis étendus permet de prendre en compte la géométrie et les interfaces à travers un choix adéquat de fonctions d'enrichissement. Cette méthode discrétise par exemple sans mailler explicitement les fissures, et évite surtout de remailler au cours de leur propagation. Des adaptations de cette méthode sont faites afin de ne pas avoir besoin d'un maillage conforme à la géométrie. La géométrie est définie implicitement par une fonction surfaces de niveau, ce qui permet une bonne approximation de la géométrie et des conditions aux limites sans pour autant s'appuyer sur un maillage conforme. La géométrie est représentée par une fonction surfaces de niveau que nous appelons la densité. La densité est supérieure à 0.5 à l'intérieur du domaine de calcul et inférieure à 0.5 à l'extérieur. Cette fonction densité, définie par ses valeurs aux points noeuds du maillage, est interpolée à l'intérieur de chaque élément. Une méthode d'intégration adaptée à cette représentation géométrique est proposée. En effet, certains éléments sont coupés par la fonction surfaces de niveau et l'intégration de la matrice de raideur ne doit se faire que sur la partie pleine de l'élément. La méthode de quadrature de Gauss qui permet d'intégrer des polynômes de manière exacte n'est plus adaptée. Nous proposons d'utiliser une méthode de quadrature avec des points d'intégration répartis sur une grille régulière et dense. L'intégration peut s'avérer coûteuse en temps de calcul, c'est pour cette raison que nous proposons une technique d'apprentissage donnant la matrice élémentaire de rigidité en fonction des valeurs de la fonction surfaces de niveau aux sommets de l'élément considéré. Cette méthode d'apprentissage permet de grandes améliorations du temps de calcul des matrices élémentaires. Les résultats obtenus après analyse par la méthode des éléments finis standard ou par la méthode des éléments finis sur maillage cartésien ont une taille qui peut croître énormément selon la complexité des modèles, ainsi que la précision des schémas de résolution. Dans un contexte de programmation sur processeurs graphiques, où la mémoire est limitée, il est intéressant d'arriver à compresser ces données. Nous nous sommes intéressés à la compression des modèles et des résultats éléments finis par la transformée en ondelettes. La compression mise en place aidera aussi pour les problèmes de stockage en réduisant la taille des fichiers générés, et pour la visualisation des données.Generating a conformal mesh on complex geometries leads to important model size of structural finite element simulations. The meshing time is directly linked to the geometry complexity and can contribute significantly to the total turnaround time. Graphics processing units (GPUs) are highly parallel programmable processors, delivering real performance gains on computationally complex, large problems. GPUs are used to implement a new finite element method on a Cartesian mesh. A Cartesian mesh is well adapted to the parallelism needed by GPUs and reduces the meshing time to almost zero. The novel method relies on the finite element method and the extended finite element formulation. The extended finite element method was introduced in the field of fracture mechanics. It consists in enriching the basis functions to take care of the geometry and the interface. This method doesn't need a conformal mesh to represent cracks and avoids refining during their propagation. Our method is based on the extended finite element method, with a geometry implicitly defined, wich allows for a good approximation of the geometry and boundary conditions without a conformal mesh.To represent the model on a Cartesian grid, we use a level set representing a density. This density is greater than 0.5 inside the domain and less than 0.5 outside. It takes 0.5 on the boundary. A new integration technique is proposed, adapted to the geometrical representation. For the element cut by the levet set, only the part full of material has to be integrated. The Gauss quadrature is no longer adapted. We introduce a quadrature method with integration points on a cartesian dense grid.In order to reduce the computational effort, a learning approach is then considered to form the elementary stiffness matrices as function of density values on the vertices of the elements. This learning method reduces the stiffness matrices time computation. Results obtained after analysis by finite element method or the novel finite element method can have important storage size, dependant of the model complexity and the resolution scheme exactitude. Due to the limited direct memory of graphics processing units, the data results are compressed. We compress the model and the element finite results with a wavelet transform. The compression will help for storage issue and also for data visualization

Real-Time deep image rendering and order independent transparency

In computer graphics some operations can be performed in either object space or image space. Image space computation can be advantageous, especially with the high parallelism of GPUs, improving speed, accuracy and ease of implementation. For many image space techniques the information contained in regular 2D images is limiting. Recent graphics hardware features, namely atomic operations and dynamic memory location writes, now make it possible to capture and store all per-pixel fragment data from the rasterizer in a single pass in what we call a deep image. A deep image provides a state where all fragments are available and gives a more complete image based geometry representation, providing new possibilities in image based rendering techniques. This thesis investigates deep images and their growing use in real-time image space applications. A focus is new techniques for improving fundamental operation performance, including construction, storage, fast fragment sorting and sampling. A core and driving application is order-independent transparency (OIT). A number of deep image sorting improvements are presented, through which an order of magnitude performance increase is achieved, significantly advancing the ability to perform transparency rendering in real time. In the broader context of image based rendering we look at deep images as a discretized 3D geometry representation and discuss sampling techniques for raycasting and antialiasing with an implicit fragment connectivity approach. Using these ideas a more computationally complex application is investigated — image based depth of field (DoF). Deep images are used to provide partial occlusion, and in particular a form of deep image mipmapping allows a fast approximate defocus blur of up to full screen size