The Iray Light Transport Simulation and Rendering System

While ray tracing has become increasingly common and path tracing is well understood by now, a major challenge lies in crafting an easy-to-use and efficient system implementing these technologies. Following a purely physically-based paradigm while still allowing for artistic workflows, the Iray light transport simulation and rendering system allows for rendering complex scenes by the push of a button and thus makes accurate light transport simulation widely available. In this document we discuss the challenges and implementation choices that follow from our primary design decisions, demonstrating that such a rendering system can be made a practical, scalable, and efficient real-world application that has been adopted by various companies across many fields and is in use by many industry professionals today

Lichttransportsimulation auf Spezialhardware

It cannot be denied that the developments in computer hardware and in computer algorithms strongly influence each other, with new instructions added to help with video processing, encryption, and in many other areas. At the same time, the current cap on single threaded performance and wide availability of multi-threaded processors has increased the focus on parallel algorithms. Both influences are extremely prominent in computer graphics, where the gaming and movie industries always strive for the best possible performance on the current, as well as future, hardware. In this thesis we examine the hardware-algorithm synergies in the context of ray tracing and Monte-Carlo algorithms. First, we focus on the very basic element of all such algorithms - the casting of rays through a scene, and propose a dedicated hardware unit to accelerate this common operation. Then, we examine existing and novel implementations of many Monte-Carlo rendering algorithms on massively parallel hardware, as full hardware utilization is essential for peak performance. Lastly, we present an algorithm for tackling complex interreflections of glossy materials, which is designed to utilize both powerful processing units present in almost all current computers: the Centeral Processing Unit (CPU) and the Graphics Processing Unit (GPU). These three pieces combined show that it is always important to look at hardware-algorithm mapping on all levels of abstraction: instruction, processor, and machine.Zweifelsohne beeinflussen sich Computerhardware und Computeralgorithmen gegenseitig in ihrer Entwicklung: Prozessoren bekommen neue Instruktionen, um zum Beispiel Videoverarbeitung, Verschlüsselung oder andere Anwendungen zu beschleunigen. Gleichzeitig verstärkt sich der Fokus auf parallele Algorithmen, bedingt durch die limitierte Leistung von für einzelne Threads und die inzwischen breite Verfügbarkeit von multi-threaded Prozessoren. Beide Einflüsse sind im Grafikbereich besonders stark , wo es z.B. für die Spiele- und Filmindustrie wichtig ist, die bestmögliche Leistung zu erreichen, sowohl auf derzeitiger und zukünftiger Hardware. In Rahmen dieser Arbeit untersuchen wir die Synergie von Hardware und Algorithmen anhand von Ray-Tracing- und Monte-Carlo-Algorithmen. Zuerst betrachten wir einen grundlegenden Hardware-Bausteins für alle diese Algorithmen, die Strahlenverfolgung in einer Szene, und präsentieren eine spezielle Hardware-Einheit zur deren Beschleunigung. Anschließend untersuchen wir existierende und neue Implementierungen verschiedener MonteCarlo-Algorithmen auf massiv-paralleler Hardware, wobei die maximale Auslastung der Hardware im Fokus steht. Abschließend stellen wir dann einen Algorithmus zur Berechnung von komplexen Beleuchtungseffekten bei glänzenden Materialien vor, der versucht, die heute fast überall vorhandene Kombination aus Hauptprozessor (CPU) und Grafikprozessor (GPU) optimal auszunutzen. Zusammen zeigen diese drei Aspekte der Arbeit, wie wichtig es ist, Hardware und Algorithmen auf allen Ebenen gleichzeitig zu betrachten: Auf den Ebenen einzelner Instruktionen, eines Prozessors bzw. eines gesamten Systems

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

Efficient Many-Light Rendering of Scenes with Participating Media

We present several approaches based on virtual lights that aim at capturing the light transport without compromising quality, and while preserving the elegance and efficiency of many-light rendering. By reformulating the integration scheme, we obtain two numerically efficient techniques; one tailored specifically for interactive, high-quality lighting on surfaces, and one for handling scenes with participating media

Interactive global illumination on the CPU

Computing realistic physically-based global illumination in real-time remains one of the major goals in the fields of rendering and visualisation; one that has not yet been achieved due to its inherent computational complexity. This thesis focuses on CPU-based interactive global illumination approaches with an aim to develop generalisable hardware-agnostic algorithms. Interactive ray tracing is reliant on spatial and cache coherency to achieve interactive rates which conflicts with needs of global illumination solutions which require a large number of incoherent secondary rays to be computed. Methods that reduce the total number of rays that need to be processed, such as Selective rendering, were investigated to determine how best they can be utilised. The impact that selective rendering has on interactive ray tracing was analysed and quantified and two novel global illumination algorithms were developed, with the structured methodology used presented as a framework. Adaptive Inter- leaved Sampling, is a generalisable approach that combines interleaved sampling with an adaptive approach, which uses efficient component-specific adaptive guidance methods to drive the computation. Results of up to 11 frames per second were demonstrated for multiple components including participating media. Temporal Instant Caching, is a caching scheme for accelerating the computation of diffuse interreflections to interactive rates. This approach achieved frame rates exceeding 9 frames per second for the majority of scenes. Validation of the results for both approaches showed little perceptual difference when comparing against a gold-standard path-traced image. Further research into caching led to the development of a new wait-free data access control mechanism for sharing the irradiance cache among multiple rendering threads on a shared memory parallel system. By not serialising accesses to the shared data structure the irradiance values were shared among all the threads without any overhead or contention, when reading and writing simultaneously. This new approach achieved efficiencies between 77% and 92% for 8 threads when calculating static images and animations. This work demonstrates that, due to the flexibility of the CPU, CPU-based algorithms remain a valid and competitive choice for achieving global illumination interactively, and an alternative to the generally brute-force GPU-centric algorithms

Efficient From-Point Visibility for Global Illumination in Virtual Scenes with Participating Media

Sichtbarkeitsbestimmung ist einer der fundamentalen Bausteine fotorealistischer Bildsynthese. Da die Berechnung der Sichtbarkeit allerdings äußerst kostspielig zu berechnen ist, wird nahezu die gesamte Berechnungszeit darauf verwendet. In dieser Arbeit stellen wir neue Methoden zur Speicherung, Berechnung und Approximation von Sichtbarkeit in Szenen mit streuenden Medien vor, die die Berechnung erheblich beschleunigen, dabei trotzdem qualitativ hochwertige und artefaktfreie Ergebnisse liefern

A custom designed density estimation method for light transport

We present a new Monte Carlo method for solving the global illumination problem in environments with general geometry descriptions and light emission and scattering properties. Current Monte Carlo global illumination algorithms are based on generic density estimation techniques that do not take into account any knowledge about the nature of the data points --- light and potential particle hit points --- from which a global illumination solution is to be reconstructed. We propose a novel estimator, especially designed for solving linear integral equations such as the rendering equation. The resulting single-pass global illumination algorithm promises to combine the flexibility and robustness of bi-directional path tracing with the efficiency of algorithms such as photon mapping

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 /