A Simpler and Exact Sampling Routine for the GGX Distribution of Visible Normals

Heitz and d'Eon introduced importance sampling based on the distribution of visible normals (VNDF) and provided analytic solutions for Beckmann and GGX distributions. In this document, we propose an alternative sampling routine for the GGX VNDF that is simpler and exact. The solution provided by Heitz and d'Eon was approximate for GGX because it required a fitted curve: the derivations were made in slope space and the conditional inverse CDF of GGX does not have a closed form with this parameterization. This improved sampling routine uses the property that for unit roughness alpha = 1 the GGX distribution is a uniform hemisphere. Sampling the GGX VNDF is thus equivalent to sampling the projected area of a hemisphere, which can be done exactly

A radiative transfer framework for non-exponential media

We develop a new theory of volumetric light transport for media with non-exponential free-flight distributions. Recent insights from atmospheric sciences and neutron transport demonstrate that such distributions arise in the presence of correlated scatterers, which are naturally produced by processes such as cloud condensation and fractal-pattern formation. Our theory accommodates correlations by disentangling the concepts of the free-flight distribution and transmittance, which are equivalent when scatterers are statistically independent, but become distinct when correlations are present. Our theory results in a generalized path integral which allows us to handle non-exponential media using the full range of Monte Carlo rendering algorithms while enriching the range of achievable appearance. We propose parametric models for controlling the statistical correlations by leveraging work on stochastic processes, and we develop a method to combine such unresolved correlations (and the resulting non-exponential free-flight behavior) with explicitly modeled macroscopic heterogeneity. This provides a powerful authoring approach where artists can freely design the shape of the attenuation profile separately from the macroscopic heterogeneous density, while our theory provides a physically consistent interpretation in terms of a path space integral. We address important considerations for graphics including energy conservation, reciprocity, and bidirectional rendering algorithms, all in the presence of surfaces and correlated media

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

Computational Light Transport for Forward and Inverse Problems.

El transporte de luz computacional comprende todas las técnicas usadas para calcular el flujo de luz en una escena virtual. Su uso es ubicuo en distintas aplicaciones, desde entretenimiento y publicidad, hasta diseño de producto, ingeniería y arquitectura, incluyendo el generar datos validados para técnicas basadas en imagen por ordenador. Sin embargo, simular el transporte de luz de manera precisa es un proceso costoso. Como consecuencia, hay que establecer un balance entre la fidelidad de la simulación física y su coste computacional. Por ejemplo, es común asumir óptica geométrica o una velocidad de propagación de la luz infinita, o simplificar los modelos de reflectancia ignorando ciertos fenómenos. En esta tesis introducimos varias contribuciones a la simulación del transporte de luz, dirigidas tanto a mejorar la eficiencia del cálculo de la misma, como a expandir el rango de sus aplicaciones prácticas. Prestamos especial atención a remover la asunción de una velocidad de propagación infinita, generalizando el transporte de luz a su estado transitorio. Respecto a la mejora de eficiencia, presentamos un método para calcular el flujo de luz que incide directamente desde luminarias en un sistema de generación de imágenes por Monte Carlo, reduciendo significativamente la variancia de las imágenes resultantes usando el mismo tiempo de ejecución. Asimismo, introducimos una técnica basada en estimación de densidad en el estado transitorio, que permite reusar mejor las muestras temporales en un medio parcipativo. En el dominio de las aplicaciones, también introducimos dos nuevos usos del transporte de luz: Un modelo para simular un tipo especial de pigmentos gonicromáticos que exhiben apariencia perlescente, con el objetivo de proveer una forma de edición intuitiva para manufactura, y una técnica de imagen sin línea de visión directa usando información del tiempo de vuelo de la luz, construida sobre un modelo de propagación de la luz basado en ondas.<br /

The SGGX microflake distribution

International audienceWe introduce the Symmetric GGX (SGGX) distribution to represent spatially-varying properties of anisotropic microflake participating media. Our key theoretical insight is to represent a microflake distribution by the projected area of the microflakes. We use the projected area to parameterize the shape of an ellipsoid, from which we recover a distribution of normals. The representation based on the projected area allows for robust linear interpolation and prefiltering, and thanks to its geometric interpretation, we derive closed form expressions for all operations used in the microflake framework. We also incorporate microflakes with diffuse reflectance in our theoretical framework.This allows us to model the appearance of rough diffuse materials in addition to rough specular materials. Finally, we use the idea of sampling the distribution of visible normals to design a perfect importance sampling technique for our SGGX microflake phase functions. It is analytic, deterministic, simple to implement, and one order of magnitude faster than previous work