Generación de imágenes sintéticas optimizadas para representaciones masivas de apariencia

La generación de imágenes fotorrealistas es una de las principales disciplinas de la Informática Gráfica que más repercusión tiene hoy en día. Conseguir estas imágenes es un proceso complicado y pesado que requiere simular el transporte que realiza la luz por la escena. Para conseguir una simulación físicamente correcta hay que utilizar un algoritmo adecuado para recorra todos los caminos posibles que realiza la luz y modelos para representar la apariencia de los objetos que forman la escena. Los modelos que definen las propiedades de apariencia suelen estar representados por funciones n-dimensionales que pueden depender de modelos heurísticos o pueden ser datos tabulados provenientes de capturas o simulaciones. Estas funciones describen como interacciona la luz con el material y debido a la dimensionalidad de estas, tabuladas pueden requerir un alto espacio en memoria. Además, cuando los datos están tabulados, la producción de una imagen es muy costosa y ralentiza el ya de por si lento proceso de renderizar una imagen. En este proyecto, con el objetivo de acelerar la convergencia de generación de imágenes sintéticas que requieren de datos tabulados, se propone una adaptación del algoritmo Expectation-Maximization para aproximar de forma eficiente y eficaz datos físicos de la apariencia de los materiales. Generando un Gaussian Mixture Model que adapta la función tabulada mediante la suma de un conjunto de Gaussianas. Permitiendo así, realizar Importance Sampling, una técnica de muestreo que concentra los cálculos en las partes con más contribución a la imagen final, reduciendo el tiempo que necesario para obtener resultados similares

Técnicas de integración numérica para generación de imágenes sintéticas.

En la actualidad, la generación de imágenes sintéticas basadas en aspectos físicos de la realidad, es un campo que está ganando mucha fuerza en el ámbito de la informática gráfica. Esta tarea tiene un alto grado de complejidad, debido a que hay que simular de una manera físicamente correcta el transporte de la luz a lo largo de una escena, creada virtualmente. Para simular esto es necesario resolver una integral de gran complejidad, que se debe aproximar mediante una técnica de integración numérica. Una de las técnicas más utilizadas es Monte Carlo, que hace uso de métodos estocásticos para resolver la integral, generando muestras aleatorias en las que se evalúa la función a integrar, para obtener el valor final calculando la media de los resultados que obtiene cada una de estas muestras. Esto genera un ruido visible en zonas perceptualmente suaves, que para ser eliminado requiere utilizar una gran cantidad de muestras, aumentando el tiempo de cómputo. En este trabajo se estudian dos líneas investigación distintas para abordar este problema, presentadas en dos artículos científicos. El primero de ellos presenta las Primary-Space Adaptative Control Variates, un método que permite reducir el ruido en zonas de baja frecuencia lumínica. Para ello encuentra, de manera adaptativa, una función integrable analíticamente que sea similar al integrando, denominada variable de control. El segundo presenta las Blue Nets, redes de muestras estratificadas que permiten eliminar la aleatoriedad de Monte Carlo, eligiendo las muestras de estas redes en vez de generarlas aleatoriamente. De esta manera, se genera un ruido agradable visualmente en la imagen final. Una vez estudiadas y desarrolladas estas técnicas, se integran sobre un software de renderizado de imágenes avanzado, PBRT, que ofrece distintas opciones para generar imágenes fotorrealistas, simulando de varias formas el transporte de luz y proporcionando distintos tipos de materiales, según normas físicas reales. A partir de este software se generan imágenes de escenas virtuales con distintas características, integradas con las nuevas técnicas implementadas, que permiten un análisis comparativo entre estos dos métodos de integración numérica avanzados y Monte Carlo.<br /

Reducción de patrones de ruido mediante máscaras de frecuencia

Diseño de un algoritmo de reducción de ruido en imágenes, lo más genérico posible, éste no se centra en un tipo de ruido concreto, sino que permite procesar los tipos de ruido más comunes: ruido cromático, ruido coherente y ruido dinámico. Se ha diseñado de forma que requiera poca configuración manual, para ello se ha determinado que valores en los parámetros del algoritmo son los más adecuados para los casos más habituales y se han establecido por defecto. Además permite el procesado tanto de imágenes estáticas como de señales de vídeo

Operador de tone mapping en tiempo real

El rango dinamico de una imagen dene la diferencia entre los puntos de mayor y menor luminan- cia representados. Las imagenes HDR o de alto rango dinamico permiten mostrar una riqueza de informacion mucho mayor que las imagenes LDR o de bajo rango dinamico. Esta riqueza de infor- macion es superior en muchas ordenes de magnitud a lo que es capaz de reproducir un dispositivo de visualizacion estandar actualmente. Para poder visualizar este tipo de informacion se aplican operadores de tone mapping o mapeo de tonos, que transforman imagenes HDR en formato LDR para que puedan ser visualizadas. Este trabajo n de grado comprende la investigacion y el desarrollo de un operador de tone mapping mas avanzado que los operadores habitualmente utilizados, capaz de funcionar a tiempo real sobre una escena HDR. La implementacion del operador utiliza comunicacion con la GPU, ya que las tarjetas gracas permiten realizar calculos de iluminacion y visualizacion en HDR. Este hecho permitira que se pudieran realizar videojuegos utilizando tecnologa HDR, pero no podran visualizarse actualmente sin transformarse previamente su rango dinamico. El estado del arte en videojuegos hoy en da se situa en compresiones del rango dinamico utilizando curvas gamma. Tras la realizacion de este trabajo se ha logrado implementar un operador de tone mapping mas avanzado que el estado del arte actual, capaz de aplicarse sobre una escena HDR variable a tiempo real, pudiendo ademas modicar diversos parametros subjetivos que consiguen diferentes resultados visualizables dependiendo de la eleccion del usuario

Renderizado adaptativo mediante técnicas de cuadratura

La generación de imágenes fotorrealistas es un campo muy complejo, el cual es tratado por la informática gráfica. La dificultad del problema radica en que para generarlas es necesario la simulación físicamente correcta de todas las posibles interacciones de la luz con el medio. Las técnicas más utilizadas son las basadas en métodos estocásticos, pero debido a su comportamiento aleatorio generan ruido en la imagen final. Dicho ruido es visible principalmente en aquellas zonas perceptualmente suaves y para eliminarlo son necesarios procesos de cálculo que pueden llegar a ser muy largos. Se presenta en este trabajo un método distinto basado en técnicas de cuadratura cuya convergencia es mejor que la de los métodos estocásticos en zonas con iluminación suave. Dicho método funciona de una manera determinista utilizando un esquema adaptativo, el cual le permite distribuir el trabajo hacia aquellas zonas de mayor dificultad (dada una estimación del error de la escena) reduciendo el tiempo de cálculo y/o incrementando la precisión. Para ello se utiliza una estructura de datos optimizada para este problema que minimiza el tiempo de cómputo. Finalmente se estudiará la utilización de un método híbrido entre la aproximación estocástica y el método propuesto que busca aprovechar las ventajas de cada uno y combinarlas. Todo ello será integrado sobre la arquitectura del software de renderizado Mitsuba y validado frente a una técnica establecida como estándar llamada Path Tracer implementada en dicho software

Exploración de superficies cuádricas como primitivas de renderizado

La malla de triángulos es la estructura de datos más utilizada para representar geometrías arbitrarias en informática gráfica, ya que es muy sencilla yademás cuenta con algoritmos sofisticados y soporte hardware.Sin embargo, no está exenta de problemas, ya que al ser una discretización de la geometría real, si no se utilizan suficientes triángulos es posible apreciarel contorno de éstos en las figuras renderizadas y en las sombras de las mismas. No obstante, su principal limitación es que cada triángulo, por ser una superficie plana, tiene una única normal a todos los puntos de su superficie, y dado que el cálculo para generar la apariencia de la figura depende de esa dirección normal, aparecen discontinuidades de iluminación entre triángulos contiguos con diferente normal. Para evitar esto, se utilizan normales de shading,calculadas mediante interpolación entre normales asignadas a cada uno de los vértices de los triángulos. De esta manera se consigue una apariencia suave, más realista y ajustada a lo que la malla de triángulos estaría representando. Al no ser esta normal de shading la normal geométrica real de la figura, pueden aparecer artefactos en ángulos rasantes (grazing angles) en la superficie. Esto sucede al utilizar una normal distinta a la normal geométrica para calcular la apariencia de una figura utilizando técnicas basadas en el algoritmo de trazado de rayos(ray tracing), pudiendo los rayos entrar en la geometría y causar artefactos.En este trabajo se presentan tres métodos para sustituir los triángulos presentes en una malla de triángulos por una nueva primitiva de renderizado,los triángulos cuádricos. Éstos están modelados como superficies de segundo grado, por lo que la normal varía en toda su superficie sin necesidad deinterpolar. En su construcción se garantiza mantener la estructura original de la malla de triángulos, consiguiendo también generar una superficiecon una normal geométrica proporcional a las normales de shading utilizadas en el triángulo original. De esta manera se eliminan artefactos causadospor el uso de una normal de shading distinta a la geométrica real de las figuras, consiguiendo un contorno suave por utilizar superficies de segundo gradoy manteniendo la apariencia otorgada a la malla de triángulos por las normales de shading.<br /

Reducción de ruido en señales de vídeo

Diseño de un algoritmo de reducción de ruido en imágenes, lo más genérico posible, éste no se centra en un tipo de ruido concreto, sino que permite procesar los tipos de ruido más comunes: ruido cromático, ruido coherente y ruido dinámico. Se ha diseñado de forma que requiera poca configuración manual, para ello se ha determinado que valores en los parámetros del algoritmo son los más adecuados para los casos más habituales y se han establecido por defecto. Además permite el procesado tanto de imágenes estáticas como de señales de vídeo

Modelado de geometría mediante "Signed Distance Functions" y desarrollo de algoritmos para su intersección

Aunque la representación más común de la geometría en entornos de ray tracing sean las mallas de triángulos, existen otras formas de representar geometrías complejas. Una de estas representaciones alternativas son las SDFs (Signed Distance Functions). Estas funciones devuelven la distancia con signo a la superficie desde cualquier punto en el espacio (para cada punto p, f(p)=0 en la superficie, f(p)0 en el exterior). Su naturaleza geométrica permite una manipulación de la geometría mucho más directa que la basada en polígonos: se modifica directamente la ecuación implícita de los volúmenes, en lugar de modificar individualmente los vértices de los polígonos. En este trabajo, presentamos una librería para la definición y manipulación de geometría mediante SDFs. Mostramos distintos ejemplos de estas funciones y sus capacidades, así como algunas aplicaciones al margen de la representación de geometría. El código implementado se ha integrado con el renderer Mitsuba2 para sintetizar escenas avanzadas con estas geometrías.Pese a todas las ventajas que ofrecen las SDFs para representar geometría, estas complican en cierta medida la intersección con las superficies. Durante los años, se han desarrollado diversos métodos para abordar este problema. En este trabajo, se han implementado tanto algunos de los algoritmos más populares de este tipo (Sphere Tracing y Enhanced Sphere Tracing), como otros métodos nuevos diseñados para este proyecto (Newton Marching y Forward Newton Marching), basados en el método de Newton para intersectar más rápidamente superficies planas. Se han comparado todos los métodos experimentalmente, y se han analizado las capacidades y limitaciones de los nuevos algoritmos. Se muestra también la posibilidad que ofrecen los nuevos algoritmos de intersectar geometría definida por otro tipo de funciones derivables (no necesariamente SDFs).<br /

Rendering de iluminación directa y single-scattering utilizando control variates multidimensionales

En la actualidad, existe una gran demanda de generación de imágenes sintéticas indistinguibles de la realidad. Esta tarea tiene un alto nivel de complejidad, debido a que se requiere la simulación correcta de las interacciones de la luz con una escena virtual, modeladas matemáticamente mediante una integral de alta complejidad cuyo resultado se aproxima mediante técnicas de integración numérica.Los algoritmos más utilizados para abordar el problema de la simulación del transporte de luz están basados en el método de integración de Monte Carlo, que utiliza el muestreo aleatorio de caminos de la luz en la escena. Aunque estos algoritmos permiten generar imágenes fieles a la realidad, introducen ruido visible en los resultados finales debido a su naturaleza estocástica si no se toman suficientes muestras.Existen otros métodos de integración como los de tipo Newton-Cotes, que toman muestras de forma determinista para modelar la señal mediante polinomios. Estos métodos, en casos en los que la iluminación presenta una apariencia suave, son capaces de obtener mejores resultados pero introducen sesgo y artefactos visibles en los resultados que hacen que su uso haya sido menos explorado en el campo de la informática gráfica.En este trabajo, se plantea un algoritmo que combina lo mejor de las estrategias de Monte Carlo y de tipo Newton-Cotes mediante el uso de una técnica de reducción de varianza denominada control variates. Este algoritmo es capaz de obtener mejores resultados que el método estándar de Monte Carlo en escenas que tienen zonas con un transporte de luz suave, manteniendo los detalles de alta frecuencia y un resultado sin sesgo.Se implementan dos aplicaciones diferentes de esta técnica: simulación de iluminación directa, en la que se simula la luz que incide directamente en las superficies desde las fuentes de luz; y simulación de medios participativos, en los que la luz es absorbida y dispersada en su paso por el medio. En ambas aplicaciones, se analizan los resultados en diferentes escenas, comparándolos con los que de otras técnicas y analizando su convergencia a un resultado final.<br /

Integration through genetic programming on heterogeneous systems.

Nowadays, numerous applications in various scientific fields require the integration of mathematical functions that, due to some of their characteristics, do not have an analytical expression for their antiderivative. These definite integrals are usually solved by numerical integration methods, which provide an approximation of the numerical value of the integral in the integration range. With this type of solutions, a higher precision of the approximation entails a longer computation time, being necessary a trade-off between both aspects. In this work we present a genetic programming algorithm which provides mathematical expressions that approximate the antiderivative of analytically non-integrable functions. Heterogeneous devices, GPU and multicore CPU, have also been used in the development of the system to accelerate the parts suitable for it. The advantage of obtaining these approximate antiderivatives is the reduction of the computation time necessary to calculate the definite integral of the functions of interest, reducing it to simply evaluating the expression at the beginning and the end of the integration range.<br /