Real-Time Rough Refraction

International audienceWe present an algorithm to render objects of transparent materials with rough surfaces in real-time, under distant illumination. Rough surfaces cause wide scattering as light enters and exits objects, which significantly complicates the rendering of such materials. We present two contributions to approximate the successive scattering events at interfaces, due to rough refraction : First, an approximation of the Bidirectional Transmittance Distribution Function (BTDF), using spherical Gaussians, suitable for real-time estimation of environment lighting using pre-convolution; second, a combination of cone tracing and macro-geometry filtering to efficiently integrate the scattered rays at the exiting interface of the object. We demonstrate the quality of our approximation by comparison against stochastic raytracing

Refractive Index Dependent Bidirectional Scattering Distribution Functions

Wir untersuchen die Wirkung des Eintauchens von realen Materialien in Medien mit unterschiedlichem Brechindex. In der Theorie sollte das Reflektanz-Verhalten eines Materials, das in den umgebenden Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes eingetaucht wird,durch die Fresnel-Gleichungen vorhergesagt werden. Wie wir jedoch zeigen, folgt nur eine Unterklasse von Materialien diesem theoretischen Modell. In der Realität zeigen viele Materialien unerwartete Effekte wie stärker lokalisierte Highlights oder eine deutliche Zunahme von spekularer Reflexion durch Mikrogeometrie. In unseren Experimenten haben wir herausgefunden, dass diese Effekte ziemlich stark variieren, und keines der bestehenden BRDF-Modelle das realistisch wiedergeben. Wir schlagen ein neues, parametrisches Modell vor, dass den Brechungsindex berücksichtigt. Wir fitten unsere Messergebnisse an das Modell und erhalten so Parameter zur Beschreibung der Reflektanz verschiedener Medien.We investigate the effect of immersing real-world materials into media of different refractive indices. In theory, the reflective and transmissive behavior of a material that is immersed into surrounding media with different refractive indices should be predicted by the Fresnel equations. However, as we show, %\todo{Ivo}{} only a subclass of materials follows this theoretical model. In reality, many materials exhibit unexpected effects such as stronger localized highlights or a significant increase in the glossy reflection due to microgeometry. In our experiments we found that the variation of these effects can be quite strong, and none of the existing BRDF models realistically reproduce these effects seen in reality. We propose a new, parametric model that takes refractive index changes into account. We fit measurements of different materials and present results to demonstrate the importance of BRDF changes for submerged objects

Vermessung, Modellierung und Verifizierung von Licht-Masse-Interaktions-Phänomenen

The photo-realistic rendering of scenes showing natural phenomena requires skilled graphic designers not only to produce a convincingly good-looking image but also to convey physical plausibility. This is especially important in industrial context, where a modelled scene showcasing a product has to approximate the actual environment of a product as closely as possible, e.g. in automotive industries. In this thesis, new techniques to measure natural phenomena are presented in order to provide new or verify existing models for rendering the physically plausible image. In contrast to other approaches, the measurement is performed using nonconventional methods: an ellipsometer is employed to capture the specular reflectance with respect to the polarisation behaviour, a transmissive screen attached to a glass tank is imaged to capture underwater reflectances, and the Microsoft Kinect, a motion capturing device, is used to detect the gas flows around objects. The results are the verification of existing, physically plausible models for commodity metals, an enhanced reflectance model for materials immersed in transparent media with known refractive index, and the reconstruction of two-phase gas flows around occluding objects.Das Erzeugen von Szenen mit natürlichen Phänomenen in fotorealistischer Qualität ist aufwändig, weil nicht nur ein realistisches Bild erstellt werden soll, sondern auch physikalische Plausibilität in Bezug auf das modellierte Phänomen verlangt wird. Besonders in der Industrie, z.B. in der Automobilindustrie, sollte die modellierte Szene, in der ein Produkt eingesetzt wird, der tatsächlichen Einsatzumgebung so naturgetreu wie möglich ähneln. In dieser Dissertation werden neue Ansätze zum Messen von natürlichen Phänomenen präsentiert, die es ermöglichen, für bestimmte Phänomene neue Modelle zu erstellen oder bestehende Modelle erschöpfender zu verifizieren, um damit physikalische Plausibilität für Szenen, die am Computer ereugt werden, zu gewährleisten. Im Unterschied zu anderen Verfahren, werden unkonventionelle Methoden zur Messung umgesetzt: Mit Hilfe eines Ellipsometers wird die Oberflächenreflektanz von Metallen so vermessen, dass auch Änderungen im Polarisationszustand des Lichtes erfasst werden. Unterwasserreflektanzen von Materialien werden mit Hilfe eines lichtdurchlässigen Diffusers abgebildet, der an einen Glasbecher angebracht wird, und der Bewegungssensor Kinect von Microsoft wird verwendet, um Gasströmungen um Objekte zu detektieren. Die Ergebnisse sind die Verifikation von bestehenden Modellen für handelsübliche Metallflächen, ein erweitertes Reflektanzmodell für Oberflächen, die in refraktive Medien eingetaucht werden und die Rekonstruktion von Gasströmungen um Objekte

Measuring and simulating haemodynamics due to geometric changes in facial expression

The human brain has evolved to be very adept at recognising imperfections in human skin. In particular, observing someone’s facial skin appearance is important in recognising when someone is ill, or when finding a suitable mate. It is therefore a key goal of computer graphics research to produce highly realistic renderings of skin. However, the optical processes that give rise to skin appearance are complex and subtle. To address this, computer graphics research has incorporated more and more sophisticated models of skin reflectance. These models are generally based on static concentrations of skin chromophores; melanin and haemoglobin. However, haemoglobin concentrations are far from static, as blood flow is directly caused by both changes in facial expression and emotional state. In this thesis, we explore how blood flow changes as a consequence of changing facial expression with the aim of producing more accurate models of skin appearance. To build an accurate model of blood flow, we base it on real-world measurements of blood concentrations over time. We describe, in detail, the steps required to obtain blood concentrations from photographs of a subject. These steps are then used to measure blood concentration maps for a series of expressions that define a wide gamut of human expression. From this, we define a blending algorithm that allows us to interpolate these maps to generate concentrations for other expressions. This technique, however, requires specialist equipment to capture the maps in the first place. We try to rectify this problem by investigating a direct link between changes in facial geometry and haemoglobin concentrations. This requires building a unique capture device that captures both simultaneously. Our analysis hints a direct linear connection between the two, paving the way for further investigatio

Towards Real-Time Novel View Synthesis Using Visual Hulls

This thesis discusses fast novel view synthesis from multiple images taken from different viewpoints. We propose several new algorithms that take advantage of modern graphics hardware to create novel views. Although different approaches are explored, one geometry representation, the visual hull, is employed throughout our work. First the visual hull plays an auxiliary role and assists in reconstruction of depth maps that are utilized for novel view synthesis. Then we treat the visual hull as the principal geometry representation of scene objects. A hardwareaccelerated approach is presented to reconstruct and render visual hulls directly from a set of silhouette images. The reconstruction is embedded in the rendering process and accomplished with an alpha map trimming technique. We go on by combining this technique with hardware-accelerated CSG reconstruction to improve the rendering quality of visual hulls. Finally, photometric information is exploited to overcome an inherent limitation of the visual hull. All algorithms are implemented on a distributed system. Novel views are generated at interactive or real-time frame rates.In dieser Dissertation werden mehrere Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe neue Ansichten einer Szene aus mehreren Bildströmen errechnet werden können. Die Bildströme werden hierzu aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf die Szene aufgezeichnet. Wir schlagen mehrere Algorithmen vor, welche die Funktionen moderner Grafikhardware ausnutzen, um die neuen Ansichten zu errechnen. Obwohl die Verfahren sich methodisch unterscheiden, basieren sie auf der gleichen Geometriedarstellung, der Visual Hull. In der ersten Methode spielt die Visual Hull eine unterstützende Rolle bei der Rekonstruktion von Tiefenbildern, die zur Erzeugung neuer Ansichten verwendet werden. In den nachfolgend vorgestellten Verfahren dient die Visual Hull primär der Repräsentation von Objekten in einer Szene. Eine hardwarebeschleunigte Methode, um Visual Hulls direkt aus mehreren Silhouettenbildern zu rekonstruieren und zu rendern, wird vorgestellt. Das Rekonstruktionsverfahren ist hierbei Bestandteil der Renderingmethode und basiert auf einer Alpha Map Trimming Technik. Ein weiterer Algorithmus verbessert die Qualitaet der gerenderten Visual Hulls, indem das Alpha-Map-basierte Verfahren mit einer hardware-beschleunigten CSG Rekonstruktiontechnik kombiniert wird. Eine vierte Methode nutzt zusaetzlich photometrische Information aus, um eine grundlegende Beschraenkung des Visual-Hull-Ansatzes zu umgehen. Alle Verfahren ermoeglichen die interaktive oder Echtzeit- Erzeugung neuer Ansichten