Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.Photorealistic rendering involves the numeric resolution of physically accurate light/matter interactions which, despite the tremendous and continuously increasing computational power that we now have at our disposal, is nowhere from becoming a quick and simple task for our computers. This is mainly due to the way that we represent objects: in order to reproduce the subtle interactions that create detail, tremendous amounts of geometry need to be queried. Hence, at render time, this complexity leads to heavy input/output operations which, combined with numerically complex filtering operators, require unreasonable amounts of computation times to guarantee artifact-free images. In order to alleviate such issues with today's constraints, a multiscale representation for matter must be derived. In this thesis, we derive such a representation for matter whose interface can be modelled as a displaced surface, a configuration that is typically simulated with displacement texture mapping in computer graphics. Our representation is derived within the realm of microfacet theory (a framework originally designed to model reflection of rough surfaces), which we review and augment in two respects. First, we render the theory applicable across multiple scales by extending it to support noncentral microfacet statistics. Second, we derive an inversion procedure that retrieves microfacet statistics from backscattering reflection evaluations. We show how this augmented framework may be applied to derive a general and efficient (although approximate) down-sampling operator for displacement texture maps that (a) preserves the anisotropy exhibited by light transport for any resolution, (b) can be applied prior to rendering and stored into MIP texture maps to drastically reduce the number of input/output operations, and (c) considerably simplifies per-pixel filtering operations, resulting overall in shorter rendering times. In order to validate and demonstrate the effectiveness of our operator, we render antialiased photorealistic images against ground truth. In addition, we provide C++ implementations all along the dissertation to facilitate the reproduction of the presented results. We conclude with a discussion on limitations of our approach, and avenues for a more general multiscale representation for matter

Visually pleasing real-time global illumination rendering for fully-dynamic scenes

Global illumination (GI) rendering plays a crucial role in the photo-realistic rendering of virtual scenes. With the rapid development of graphics hardware, GI has become increasingly attractive even for real-time applications nowadays. However, the computation of physically-correct global illumination is time-consuming and cannot achieve real-time, or even interactive performance. Although the realtime GI is possible using a solution based on precomputation, such a solution cannot deal with fully-dynamic scenes. This dissertation focuses on solving these problems by introducing visually pleasing real-time global illumination rendering for fully-dynamic scenes. To this end, we develop a set of novel algorithms and techniques for rendering global illumination effects using the graphics hardware. All these algorithms not only result in real-time or interactive performance, but also generate comparable quality to the previous works in off-line rendering. First, we present a novel implicit visibility technique to circumvent expensive visibility queries in hierarchical radiosity by evaluating the visibility implicitly. Thereafter, we focus on rendering visually plausible soft shadows, which is the most important GI effect caused by the visibility determination. Based on the pre-filtering shadowmapping theory, wesuccessively propose two real-time soft shadow mapping methods: "convolution soft shadow mapping" (CSSM) and "variance soft shadow mapping" (VSSM). Furthermore, we successfully apply our CSSM method in computing the shadow effects for indirect lighting. Finally, to explore the GI rendering in participating media, we investigate a novel technique to interactively render volume caustics in the single-scattering participating media.Das Rendern globaler Beleuchtung ist für die fotorealistische Darstellung virtueller Szenen von entscheidender Bedeutung. Dank der rapiden Entwicklung der Grafik-Hardware wird die globale Beleuchtung heutzutage sogar für Echtzeitanwendungen immer attraktiver. Trotz allem ist die Berechnung physikalisch korrekter globaler Beleuchtung zeitintensiv und interaktive Laufzeiten können mit "standard Hardware" noch nicht erzielt werden. Obwohl das Rendering auf der Grundlage von Vorberechnungen in Echtzeit möglich ist, kann ein solcher Ansatz nicht auf voll-dynamische Szenen angewendet werden. Diese Dissertation zielt darauf ab, das Problem der globalen Beleuchtungsberechnung durch Einführung von neuen Techniken für voll-dynamische Szenen in Echtzeit zu lösen. Dazu stellen wir eine Reihe neuer Algorithmen vor, die die Effekte der globaler Beleuchtung auf der Grafik-Hardware berechnen. All diese Algorithmen erzielen nicht nur Echtzeit bzw. interaktive Laufzeiten sondern liefern auch eine Qualität, die mit bisherigen offline Methoden vergleichbar ist. Zunächst präsentieren wir eine neue Technik zur Berechnung impliziter Sichtbarkeit, die aufwändige Sichbarkeitstests in hierarchischen Radiosity-Datenstrukturen vermeidet. Anschliessend stellen wir eine Methode vor, die weiche Schatten, ein wichtiger Effekt für die globale Beleuchtung, in Echtzeit berechnet. Auf der Grundlage der Theorie über vorgefilterten Schattenwurf, zeigen wir nacheinander zwei Echtzeitmethoden zur Berechnung weicher Schattenwürfe: "Convolution Soft Shadow Mapping" (CSSM) und "Variance Soft Shadow Mapping" (VSSM). Darüber hinaus wenden wir unsere CSSM-Methode auch erfolgreich auf den Schatteneffekt in der indirekten Beleuchtung an. Abschliessend präsentieren wir eine neue Methode zum interaktiven Rendern von Volumen-Kaustiken in einfach streuenden, halbtransparenten Medien

Plant Phenotyping and Phenomics for Plant Breeding

As a consequence of the global climate change, both the reduction on yield potential and the available surface area of cultivated species will compromise the production of food needed for a constant growing population. There is consensus about the significant gap between world food consumption projected for the coming decades and the expected crop yield-improvements, which are estimated to be insufficient to meet the demand. The complexity of this scenario will challenge breeders to develop cultivars that are better adapted to adverse environmental conditions, therefore incorporating a new set of morpho-physiological and physico-chemical traits; a large number of these traits have been found to be linked to heat and drought tolerance. Currently, the only reasonable way to satisfy all these demands is through acquisition of high-dimensional phenotypic data (high-throughput phenotyping), allowing researchers with a holistic comprehension of plant responses, or ‘Phenomics’. Phenomics is still under development. This Research Topic aims to be a contribution to the progress of methodologies and analysis to help understand the performance of a genotype in a given environment