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[pt] Este trabalho apresenta um novo sistema de renderização distribuída destinado ao uso em agrupamentos de PCs. É feita uma extensão à linha de produção gráfica convencional para uma linha de produção gráfica distribuída, que pelo uso de múltiplas linhas de execução permite paralelizar as operações feitas na CPU, na GPU e na rede que interliga os PCs do agrupamento. Este sistema serviu de base para a implementação e o teste de três arquiteturas para renderização distribuída: uma arquitetura com ordenação no início, uma arquitetura com ordenação no fim para renderização volumétrica e uma arquitetura híbrida que tenta combinar as vantagens da ordenação no início e da ordenação no fim. É apresentado um novo algoritmo de balanceamento de carga baseado nos tempos de renderização do quadro anterior. O algoritmo é de implementação muito simples e funciona bem tanto em aplicações com gargalo na geometria quanto em aplicações com gargalo na rasterização. Este trabalho também propõe uma estratégia de distribuição de trabalho entre os computadores de renderização do agrupamento que usa eficientemente os recursos gráficos disponíveis, melhorando assim o desempenho da renderização. Um novo algoritmo de partição paralela do modelo entre os computadores do agrupamento é proposto para a arquitetura híbrida. / [en] This work presents a new distributed rendering system destined for PC clusters. The conventional graphics pipeline is extended to a distributed pipeline that parallelizes the operations done on the CPU, the GPU and the network by using multiple threads. This system was the base for the implementation of three distributed rendering architectures: a sort-first architecture, a sort-last architecture for volume rendering, and a hybrid architecture that seeks to combine the advantages of both sort-first and sortlast architectures. A new load-balancing algorithm based on the rendering times of the previous frame is proposed. The algorithm is very simple to be implemented and works well for both geometry- and rasterization-bound models. A new strategy to assign tiles to rendering nodes is proposed which effectively uses the available graphics resources, thus improving rendering performance. A new parallel model partition algorithm is proposed for the hybrid architecture.

Shader programming is important for realistic material and global illumination real-time rendering, especially in 3D industrial fields nowadays, more and more customers of Visual Components Oy, a Finnish 3D software company have been found to be no longer only content with the correct simulation result, but also the result of realistic real-time rendering. This thesis project will provide a deep research on real world material classification, property definition and global illumination techniques in industrial fields. On the other hand, the Shader program for different materials and global illumination techniques are also created according to the classification and definition in this thesis work. Moreover, an external rendering tool Redway3D is evaluated as the reference and regarded as the considerable solution in the future development work.

On retrouve dans la nature un nombre impressionnant de matériaux semi-transparents tels le marbre, le jade ou la peau, ainsi que plusieurs liquides comme le lait ou les jus. Que ce soit pour le domaine cinématographique ou le divertissement interactif, l'intérêt d'obtenir une image de synthèse de ce type de matériau demeure toujours très important. Bien que plusieurs méthodes arrivent à simuler la diffusion de la lumière de manière convaincante a l'intérieur de matériaux semi-transparents, peu d'entre elles y arrivent de manière interactive. Ce mémoire présente une nouvelle méthode de diffusion de la lumière à l'intérieur d'objets semi-transparents hétérogènes en temps réel. Le coeur de la méthode repose sur une discrétisation du modèle géométrique sous forme de voxels, ceux-ci étant utilisés comme simplification du domaine de diffusion. Notre technique repose sur la résolution de l'équation de diffusion à l'aide de méthodes itératives permettant d'obtenir une simulation rapide et efficace. Notre méthode se démarque principalement par son exécution complètement dynamique ne nécessitant aucun pré-calcul et permettant une déformation complète de la géométrie. / We find in nature several semi-transparent materials such as marble, jade or skin, as well as liquids such as milk or juices. Whether it be for digital movies or video games, having an efficient method to render these materials is an important goal. Although a large body of previous academic work exists in this area, few of these works provide an interactive solution. This thesis presents a new method for simulating light scattering inside heterogeneous semi-transparent materials in real time. The core of our technique relies on a geometric mesh voxelization to simplify the diffusion domain. The diffusion process solves the diffusion equation in order to achieve a fast and efficient simulation. Our method differs mainly from previous approaches by its completely dynamic execution requiring no pre-computations and hence allowing complete deformations of the geometric mesh.

Transmission of medical images, that mandate lossless transmission of content over WLANs, presents a great challenge. The large size of these images coupled with the low acceptance of traditional image compression techniques within the medical community compounds the problem even more. These factors are of enormous significance in a hospital setting in the context of real-time image collaboration. However, recent advances in medical image compression techniques such as diagnostically lossless compression methodology, has made the solution to this difficult problem feasible. The growing popularity of high speed wireless LAN in enterprise applications and the introduction of the new 802.11n draft standard have made this problem pertinent. The thesis makes recommendations on the degree of compression to be performed for specific instances of image communication applications based on the image size and the underlying network devices and their topology. During our analysis, it was found that for most cases, only a portion of the image; typically the region of interest of the image will be able to meet the time deadline requirement. This dictates a need for adaptive method for maximizing the percentage of the image delivered to the receiver within the deadline. The problem of maximizing delivery of regions of interest of image data within the deadline has been effectively modeled as a multi-commodity flow problem in this work. Though this model provides an optimal solution to the problem, it is NP hard in computational complexity and hence cannot be implemented in dynamic networks. An approximation algorithm that uses greedy approach to flow allocation is proposed to cater to the connection requests in real time. While implementing integer programming model is not feasible due to time constraints, the heuristic can be used to provide a near-optimal solution for the problem of maximizing the reliable delivery of regions of interest of medical images within delay deadlines. This scenario may typically be expected when new connection requests are placed after the initial flow allocations have been made.

A síntese de imagens com alta faixa dinâmica é uma prática cada vez mais comum em computação gráfica. O desafio consiste em relacionar o grande conjunto de intensidades da imagem sintetizada com um sub-conjunto muito inferior suportado por um dispositivo de exibição, evitando a perda de detalhes contrastivos. Os operadores locais de reprodução de tons (local tone-mapping operators) são capazes de realizar tal compressão, adaptando o nível de luminância de cada pixel com respeito à sua vizinhança. Embora produzam resultados significativamente superiores aos operadores globais, o custo computacional é consideravelmente maior, o que vem impedindo sua utilização em aplicações em tempo real. Este trabalho apresenta uma técnica para aproximar o operador fotográfico local de reprodução de tons. Todas as etapas da técnica são implementadas em GPU, adequando-se ao cenário de aplicações em tempo real, sendo significativamente mais rápida que implementações existentes e produzindo resultados semelhantes. A abordagem é baseada no uso de tabelas de áreas acumuladas (summed-area tables) para acelerar a convolução das vizinhanças, usando filtros da média (box-filter), proporcionando uma solução elegante para aplicações que utilizam imagens em alta faixa dinâmica e que necessitam de performance sem comprometer a qualidade da imagem sintetizada. Uma investigação sobre algoritmos para a geração de somatórios pré-fixados (prefix sum) e uma possível melhoria para um deles também são apresentada. / High dynamic range (HDR) rendering is becoming an increasingly popular technique in computer graphics. Its challenge consists on mapping the resulting images’ large range of intensities to the much narrower ones of the display devices in a way that preserves contrastive details. Local tone-mapping operators effectively perform the required compression by adapting the luminance level of each pixel with respect to its neighborhood. While they generate significantly better results when compared to global operators, their computational costs are considerably higher, thus preventing their use in real-time applications. This work presents a real-time technique for approximating the photographic local tone reproduction that runs entirely on the GPU and is significantly faster than existing implementations that produce similar results. Our approach is based on the use of summed-area tables for accelerating the convolution of the local neighborhoods with a box filter and provides an attractive solution for HDR rendering applications that require high performance without compromising image quality. A survey of prefix sum algorithms and possible improvements are also presented.

A síntese de imagens com alta faixa dinâmica é uma prática cada vez mais comum em computação gráfica. O desafio consiste em relacionar o grande conjunto de intensidades da imagem sintetizada com um sub-conjunto muito inferior suportado por um dispositivo de exibição, evitando a perda de detalhes contrastivos. Os operadores locais de reprodução de tons (local tone-mapping operators) são capazes de realizar tal compressão, adaptando o nível de luminância de cada pixel com respeito à sua vizinhança. Embora produzam resultados significativamente superiores aos operadores globais, o custo computacional é consideravelmente maior, o que vem impedindo sua utilização em aplicações em tempo real. Este trabalho apresenta uma técnica para aproximar o operador fotográfico local de reprodução de tons. Todas as etapas da técnica são implementadas em GPU, adequando-se ao cenário de aplicações em tempo real, sendo significativamente mais rápida que implementações existentes e produzindo resultados semelhantes. A abordagem é baseada no uso de tabelas de áreas acumuladas (summed-area tables) para acelerar a convolução das vizinhanças, usando filtros da média (box-filter), proporcionando uma solução elegante para aplicações que utilizam imagens em alta faixa dinâmica e que necessitam de performance sem comprometer a qualidade da imagem sintetizada. Uma investigação sobre algoritmos para a geração de somatórios pré-fixados (prefix sum) e uma possível melhoria para um deles também são apresentada. / High dynamic range (HDR) rendering is becoming an increasingly popular technique in computer graphics. Its challenge consists on mapping the resulting images’ large range of intensities to the much narrower ones of the display devices in a way that preserves contrastive details. Local tone-mapping operators effectively perform the required compression by adapting the luminance level of each pixel with respect to its neighborhood. While they generate significantly better results when compared to global operators, their computational costs are considerably higher, thus preventing their use in real-time applications. This work presents a real-time technique for approximating the photographic local tone reproduction that runs entirely on the GPU and is significantly faster than existing implementations that produce similar results. Our approach is based on the use of summed-area tables for accelerating the convolution of the local neighborhoods with a box filter and provides an attractive solution for HDR rendering applications that require high performance without compromising image quality. A survey of prefix sum algorithms and possible improvements are also presented.

A síntese de imagens com alta faixa dinâmica é uma prática cada vez mais comum em computação gráfica. O desafio consiste em relacionar o grande conjunto de intensidades da imagem sintetizada com um sub-conjunto muito inferior suportado por um dispositivo de exibição, evitando a perda de detalhes contrastivos. Os operadores locais de reprodução de tons (local tone-mapping operators) são capazes de realizar tal compressão, adaptando o nível de luminância de cada pixel com respeito à sua vizinhança. Embora produzam resultados significativamente superiores aos operadores globais, o custo computacional é consideravelmente maior, o que vem impedindo sua utilização em aplicações em tempo real. Este trabalho apresenta uma técnica para aproximar o operador fotográfico local de reprodução de tons. Todas as etapas da técnica são implementadas em GPU, adequando-se ao cenário de aplicações em tempo real, sendo significativamente mais rápida que implementações existentes e produzindo resultados semelhantes. A abordagem é baseada no uso de tabelas de áreas acumuladas (summed-area tables) para acelerar a convolução das vizinhanças, usando filtros da média (box-filter), proporcionando uma solução elegante para aplicações que utilizam imagens em alta faixa dinâmica e que necessitam de performance sem comprometer a qualidade da imagem sintetizada. Uma investigação sobre algoritmos para a geração de somatórios pré-fixados (prefix sum) e uma possível melhoria para um deles também são apresentada. / High dynamic range (HDR) rendering is becoming an increasingly popular technique in computer graphics. Its challenge consists on mapping the resulting images’ large range of intensities to the much narrower ones of the display devices in a way that preserves contrastive details. Local tone-mapping operators effectively perform the required compression by adapting the luminance level of each pixel with respect to its neighborhood. While they generate significantly better results when compared to global operators, their computational costs are considerably higher, thus preventing their use in real-time applications. This work presents a real-time technique for approximating the photographic local tone reproduction that runs entirely on the GPU and is significantly faster than existing implementations that produce similar results. Our approach is based on the use of summed-area tables for accelerating the convolution of the local neighborhoods with a box filter and provides an attractive solution for HDR rendering applications that require high performance without compromising image quality. A survey of prefix sum algorithms and possible improvements are also presented.

[pt] A principal meta da computação gráfica é a síntese de imagens. Essas imagens podem ser tanto geradas por computador quanto ser resultado de manipulação digital de fotografias. Diferentes métodos para captura de imagens e fotografia digital mudaram a importância da imagem digital. Em relação a imagens geradas por computador, a busca por imagens mais realistas é importante para a indústria de filmes, de desenvolvimento de jogos entre outras. Uma das maiores revoluções na computação gráfica atual está relacionada a imagens High Dynamic Range. Essas imagens representam o próximo nível em termos de representação de imagens, uma vez que seus valores são verdadeiramente proporcionais às condições de iluminação em uma cena e são capazes de codificar a dynamic range encontrado no mundo real, fato impossível para as imagens tradicionais que apresentam 24 bits por pixel. Quando imagens high dynamic range são utilizadas para codificar as condições de iluminação em uma cena, elas são chamadas mapas de radiância ou mapas de iluminação. O foco principal dessa dissertação é mostrar técnicas de renderização em tempo real utilizando mapas de iluminação. Técnicas conhecidas como Image Based Lighting. Esse trabalho apresenta os conceitos de imagens high dynamic range, seus fundamentos físicos na teoria da luz, uma série de trabalhos importantes em manipulação dessas imagens e uma discussão sobre o pipeline de aplicações em tempo real que utilizam high dynamic range. Finalmente são apresentadas as técnicas para utilização de mapas de iluminação em alta precisão em tempo real. / [en] In 1997, the seminal work by Paul Debevec and Jitendra Malik on the generation of HDR (High Dynamic Range) images, from ordinary LDR (Low Dynamic Range) cameras, facilitated the generation of light probes enormously. In consequence, this caused a boom of works on the rendering of objects with images of light from the real world, which is known as Image- Based Lighting. The present dissertation aims to study this new area, trying to situate itself in the question of real-time compositing of synthetic objects in real images. This dissertation proposes a real-time rendering pipeline for 3D games, in the simple case of static scenes, adapting the non-real-time technique presented by Paul Debevec in 1998. There is no written work about this adaptation in the literature, although exists some reference to developments done by graphics card manufacturers in this direction. Also this dissertation presents an experiment with diffuse objects. Moreover, the author gives ideas towards the solution of shadow problems for diffuse objects.

[pt] A simulação numérica de reservatório de petróleo é um processo amplamente utilizado na indústria de óleo e gás. O reservatório é representado por um modelo de células hexaédricas com propriedades associadas, e a simulação numérica procura prever o fluxo de fluído dentro do modelo. Especialistas analisam os resultados dessas simulações através da inspeção, num ambiente gráfico interativo, do modelo tridimensional. Neste trabalho, propõe-se um novo algoritmo de corte com preservação de contexto para auxiliar a inspeção do modelo. O principal objetivo é permitir que o especialista visualize o entorno de poços. Os poços representam o objeto de interesse que deve estar visível e o modelo tridimensional (o contexto) é preservado na medida do possível no entorno desses poços. Desta forma, torna-se possível avaliar a variação de propriedades associadas às células na vizinhança do objeto de interesse. O algoritmo proposto explora programação em placa gráfica e é válido para objetos de interesse arbitrários. Propõe-se também uma extensão do algoritmo para que a seção de corte seja desacoplada da câmera, permitindo analisar o modelo cortado de outros pontos de vista. A eficácia do algoritmo proposto é demonstrada através de resultados baseados em modelos reais de reservatório. / [en] Numerical simulation of black oil reservoir is widely used in the oil and gas industry. The reservoir is represented by a model of hexahedral cells with associated properties, and the numerical simulation is used to predict the fluid behavior in the model. Specialists make analysis of such simulations by inspecting, in a graphical interactive environment, the tridimensional model. In this work, we propose a new cutaway algorithm with context preservation to help the inspection of the model. The main goal is to allow the specialist to visualize the wells and their vicinity. The wells represent the object of interest that must be visible while preserving the tridimensional model (the context) in the vicinity as far as possible. In this way, it is possible to visualize the distribution of cell property together with the object of interest. The proposed algorithm makes use of graphics processing units and is valid for arbitrary objects of interest. It is also proposed an extension to the algorithm to allow the cut section to be decoupled from the camera, allowing analysis of the cut model from different points of view. The effectiveness of the proposed algorithm is demonstrated by a set of results based on actual reservoir models.