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 /

Iluminación global mediante progressive instant radiosity

La generación de imágenes sintéticas por ordenador es una técnica fuertemente asentada hoy en día en industrias muy diversas, desde la producción cinematográfica a la arquitectura, pasando por los videojuegos y el diseño gráfico. En particular, la síntesis de imágenes fotorrorealistas es un campo de trabajo que recibe enorme atención debido a la complejidad del problema, ya que requiere una simulación físicamente correcta de todas las posibles interacciones de la luz con el medio. Los algoritmos más utilizados para abordar el problema están basados en el muestreo estocásticos de caminos lumínicos, y son capaces de aproximar el transporte de luz de una manera precisa, de modo que son capaces de generar imágenes sintéticas indistinguibles de la realidad. Sin embargo, estos algoritmos tienen un alto coste computacional y requieren tiempos de procesamiento muy largos para producir resultados libres del ruido (varianza) introducido como consecuencia de su naturaleza estocástica. Existe una variante de estos algoritmos estocásticos que aproximan la irradiancia dentro de una escena mediante luces virtuales, denominados instant radiosity. Estos algoritmos presentan una convergencia considerablemente más rápida a imágenes libres de ruido, lo que ha propiciado su adopción en sectores como la industrial del cine, de los videojuegos, así como en numerosos softwares de previsualización de CAD, en detrimiento de otras técnicas. No obstante, a pesar de que estas técnicas son capaces de dar resultados precisos, a menudo se les aplican aproximaciones sesgadas con el fin de evitar ciertos artefactos visuales que afectan fuertemente a la calidad visual de las imágenes producidas. De este modo, se introduce un compromiso entre la varianza y el sesgo introducido por las aproximaciones. En este trabajo proponemos un algoritmo progresivo de naturaleza consistente, que aunque sesgado, converge en el límite a una solución sin varianza y sesgo. Para ello, estudiamos los algoritmos existentes alrededor de la idea de many lights, analizando la varianza que produce los indeseables artefactos visuales, y evaluando qué métodos sesgados existen para reducir dicha varianza: clamping y blur en el dominio espacial. Después, proponemos aproximaciones progresivas que reducen el sesgo en cada iteración del algoritmo, de modo que convergen a una solución sin ruido o sesgo en el límite. Investigaremos las técnicas aplicadas en otras aproximaciones sesgadas de la iluminación global basadas en transporte estocástico de partículas, y las aplicamos en el contexto de la iluminación mediante luces virtuales. Finalmente, desarrollamos una implementación los algoritmos desarrollados y observamos su eficiencia en escenas reales, comparándolos con las técnicas preexistentes y planteando futuros caminos de trabajo

Muestreo eficiente de luces elípticas y su aplicación en rendering

En este trabajo se desarrolla una técnica para el muestreo de luces elípticas, generalizando el algoritmo estado del arte de muestreo de luces con forma de disco circular, generando muestras de manera uniforme sobre el ángulo sólido proyectado por una elipse arbitrariamente orientada en la escena. Este método reduce considerablemente el ruido en la imagen con un menor tiempo de cálculo en comparación a otros métodos, en el contexto del modelado del transporte de luz como un método estocástico. Para demostrar esta reducción del ruido, se han implementado dos algoritmos más, uno de muestreo por área y otro por rechazo, adaptando métodos existentes para otras geometrías. Todo esto ha sido implementado en el software open-source Mitsuba.<br /