Reversible Jump Metropolis Light Transport using Inverse Mappings

We study Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods operating in primary sample space and their interactions with multiple sampling techniques. We observe that incorporating the sampling technique into the state of the Markov Chain, as done in Multiplexed Metropolis Light Transport (MMLT), impedes the ability of the chain to properly explore the path space, as transitions between sampling techniques lead to disruptive alterations of path samples. To address this issue, we reformulate Multiplexed MLT in the Reversible Jump MCMC framework (RJMCMC) and introduce inverse sampling techniques that turn light paths into the random numbers that would produce them. This allows us to formulate a novel perturbation that can locally transition between sampling techniques without changing the geometry of the path, and we derive the correct acceptance probability using RJMCMC. We investigate how to generalize this concept to non-invertible sampling techniques commonly found in practice, and introduce probabilistic inverses that extend our perturbation to cover most sampling methods found in light transport simulations. Our theory reconciles the inverses with RJMCMC yielding an unbiased algorithm, which we call Reversible Jump MLT (RJMLT). We verify the correctness of our implementation in canonical and practical scenarios and demonstrate improved temporal coherence, decrease in structured artifacts, and faster convergence on a wide variety of scenes

Ensemble metropolis light transport

This article proposes a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) rendering algorithm based on a family of guided transition kernels. The kernels exploit properties of ensembles of light transport paths, which are distributed according to the lighting in the scene, and utilize this information to make informed decisions for guiding local path sampling. Critically, our approach does not require caching distributions in world space, saving time and memory, yet it is able to make guided sampling decisions based on whole paths. We show how this can be implemented efficiently by organizing the paths in each ensemble and designing transition kernels for MCMC rendering based on a carefully chosen subset of paths from the ensemble. This algorithm is easy to parallelize and leads to improvements in variance when rendering a variety of scenes

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