Progressive Transient Photon Beams

In this work we introduce a novel algorithm for transient rendering in participating media. Our method is consistent, robust, and is able to generate animations of time-resolved light transport featuring complex caustic light paths in media. We base our method on the observation that the spatial continuity provides an increased coverage of the temporal domain, and generalize photon beams to transient-state. We extend the beam steady-state radiance estimates to include the temporal domain. Then, we develop a progressive version of spatio-temporal density estimations, that converges to the correct solution with finite memory requirements by iteratively averaging several realizations of independent renders with a progressively reduced kernel bandwidth. We derive the optimal convergence rates accounting for space and time kernels, and demonstrate our method against previous consistent transient rendering methods for participating media

Efficient Hardware Acceleration of Robust Volumetric Light Transport Simulation

Efficiently simulating the full range of light effects in arbitrary input scenes that contain participating media is a difficult task. Unified points, beams and paths (UPBP) is an algorithm capable of capturing a wide range of media effects, by combining bidirectional path tracing (BPT) and photon density estimation (PDE) with multiple importance sampling (MIS). A computationally expensive task of UPBP is the MIS weight computation, performed each time a light path is formed. We derive an efficient algorithm to compute the MIS weights for UPBP, which improves over previous work by eliminating the need to iterate over the path vertices. We achieve this by maintaining recursive quantities as subpaths are generated, from which the subpath weights can be computed. In this way, the full path weight can be computed by only using the data cached at the two vertices at the ends of the subpaths. Furthermore, a costly part of PDE is the search for nearby photon points and beams. Previous work has shown that a spatial data structure for photon mapping can be implemented using the hardware-accelerated bounding volume hierarchy of NVIDIA's RTX GPUs. We show that the same technique can be applied to different types of volumetric PDE and compare the performance of these data structures with the state of the art. Finally, using our new algorithm and data structures we fully implement UPBP on the GPU which we, to the best of our knowledge, are the first to do so

Progressive Transient Photon Beams

In this work, we introduce a novel algorithm for transient rendering in participating media. Our method is consistent, robust and is able to generate animations of time-resolved light transport featuring complex caustic light paths in media. We base our method on the observation that the spatial continuity provides an increased coverage of the temporal domain, and generalize photon beams to transient-state. We extend stead-state photon beam radiance estimates to include the temporal domain. Then, we develop a progressive variant of our approach which provably converges to the correct solution using finite memory by averaging independent realizations of the estimates with progressively reduced kernel bandwidths. We derive the optimal convergence rates accounting for space and time kernels, and demonstrate our method against previous consistent transient rendering methods for participating media

Bidirectional Rendering of Vector Light Transport

On the foundations of many rendering algorithms it is the symmetry between the path traversed by light and its adjoint path starting from the camera. However, several effects, including polarization or ¿uorescence, break that symmetry, and are de¿ned only on the direction of light propagation. This reduces the applicability of bidirectional methods that exploit this symmetry for simulating effectively light transport. In this work, we focus on how to include these non-symmetric effects within a bidirectional rendering algorithm. We generalize the path integral to support the constraints imposed by non-symmetric light transport. Based on this theoretical framework, we propose modi¿cations on two bidirectional methods, namely bidirectional path tracing and photon mapping, extending them to support polarization and ¿uorescence, in both steady and transient stat

Efficient Methods for Computational Light Transport

En esta tesis presentamos contribuciones sobre distintos retos computacionales relacionados con transporte de luz. Los algoritmos que utilizan información sobre el transporte de luz están presentes en muchas aplicaciones de hoy en día, desde la generación de efectos visuales, a la detección de objetos en tiempo real. La luz es una valiosa fuente de información que nos permite entender y representar nuestro entorno, pero obtener y procesar esta información presenta muchos desafíos debido a la complejidad de las interacciones entre la luz y la materia. Esta tesis aporta contribuciones en este tema desde dos puntos de vista diferentes: algoritmos en estado estacionario, en los que se asume que la velocidad de la luz es infinita; y algoritmos en estado transitorio, que tratan la luz no solo en el dominio espacial, sino también en el temporal. Nuestras contribuciones en algoritmos estacionarios abordan problemas tanto en renderizado offline como en tiempo real. Nos enfocamos en la reducción de varianza para métodos offline,proponiendo un nuevo método para renderizado eficiente de medios participativos. En renderizado en tiempo real, abordamos las limitacionesde consumo de batería en dispositivos móviles proponiendo un sistema de renderizado que incrementa la eficiencia energética en aplicaciones gráficas en tiempo real. En el transporte de luz transitorio, formalizamos la simulación de este tipo transporte en este nuevo dominio, y presentamos nuevos algoritmos y métodos para muestreo eficiente para render transitorio. Finalmente, demostramos la utilidad de generar datos en este dominio, presentando un nuevo método para corregir interferencia multi-caminos en camaras Timeof- Flight, un problema patológico en el procesamiento de imágenes transitorias.n this thesis we present contributions to different challenges of computational light transport. Light transport algorithms are present in many modern applications, from image generation for visual effects to real-time object detection. Light is a rich source of information that allows us to understand and represent our surroundings, but obtaining and processing this information presents many challenges due to its complex interactions with matter. This thesis provides advances in this subject from two different perspectives: steady-state algorithms, where the speed of light is assumed infinite, and transient-state algorithms, which deal with light as it travels not only through space but also time. Our steady-state contributions address problems in both offline and real-time rendering. We target variance reduction in offline rendering by proposing a new efficient method for participating media rendering. In real-time rendering, we target energy constraints of mobile devices by proposing a power-efficient rendering framework for real-time graphics applications. In transient-state we first formalize light transport simulation under this domain, and present new efficient sampling methods and algorithms for transient rendering. We finally demonstrate the potential of simulated data to correct multipath interference in Time-of-Flight cameras, one of the pathological problems in transient imaging.<br /

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 /