Background. The most common method of generating realistic trees is by using a non-interactive and fully automatic algorithm, however, an interactive method can create realistic results as well. In an effort to show the potential of an interactive method, this thesis proposes a method of generating realistic-looking trees interactively and evaluating their level of perceived realism. Objectives. To evaluate the realism, trees generated by an interactive script, rendered in equal conditions in a game engine, need to be evaluated through a user study. Methods. A tool was implemented in Maya 2022 using PyMel, that can generate trees interactively, in different levels of geometric resolution. Through a user study with a single stimulus setup, the trees were evaluated by students at Blekinge Institute of Technology. Results. The data extracted from the stimulus testing show that all categories of trees created for this study receive a passing grade of realism for video games. What is shown is also that trees categorized as Large have a higher level of perceived realism. A higher level of detail adds to the realism factor. Conclusion. It has been demonstrated that an interactive method can create sufficiently realistic looking trees for a static video game setting. A higher level of detail is shown to increase the level of perceived realism. This thesis concludes by identifying future research and improvements to the methods used for this study.

The purpose of this thesis was to find and implement an adaptive method, based on given data and hardware, for selecting different level-of-detail whilst preserving visual quality to the best extent possible. Another important aspect of the new method was that it had to be performance effective, since the target platform was an interactive direct volume rendering application. The project was targeted towards memory restricted systems in which it has previously been impossible to render large-scale volumetric datasets. The previous state of the target platform supports two detail levels: full and half, and does not implement any kind of prioritisation when selecting the level-of-detail of bricks. Apart from failing to render parts of the datasets, the old implementation is also lacking in that the top of the dataset always has the lowest prioritisation, which can prove problematic for certain datasets. An adaptive method which determines a suitable number of detail levels at run-time has been implemented. The new implementation has also reworked the way bricks are prioritised during rendering. The proposed algorithm prioritises bricks holding surface information as well as bricks that match the transfer-function configuration well. The results show that the proposed method is able to render large-scale datasets in limited environments whilst maintaining interactive frame-rates. The new brick selection algorithm is a step in the right direction towards solving the issue with parts of the dataset not being prioritised.

Background: Recreating nature in a virtual environment comes with many aspects and challenges. Grass rendering is a part of this area, and both performance and visual results must be taken into consideration. A common optimization approach is through static level-of-detail (LOD), however, a certain visual loss comes with the use of this. Dynamic LOD is an alternative technique and exists in various forms, such as phong tessellation. The thesis will investigate the performance and visual implications of utilizing phong tessellation in grass rendering. Objectives: The main objective is to examine the implications of utilizing phong tessellation in grass rendering in terms of performance and visual results. Different scenarios will be examined, providing an overview while identifying performance and visual patterns of the technique. Methods: An experiment conducted via a DirectX 11 implementation was used to collect all data in scenarios that varied in the number of blades and how the tessellation falloff rate was described. The data collected was the average frame time during a 30-second duration as well were rendered images saved to disk from two points of view. Two reference scenes existed that only used a single LOD of either low- or high-quality grass, while no tessellation was applied. The data of each scenario and scene were compared to one another, and the visual differences were identified using the image difference evaluator FLIP. Results: The results show that different scenarios provide different benefits. Some scenarios contain smaller visual errors, while others perform efficiently. Overall a linear detail-falloff rate both performs well at various blade amounts and produces similar or smaller visual differences to the other scenarios. However, the results also show that the technique does not fit every set of hardware, at least not in demanding scenarios. Conclusions: The findings of this thesis show that the method has the potential to be a valid option in terms of performance and visual quality. It is, however, important to consider the specific use case as it is not applicable in every situation and to consider what hardware the application will run on.

Background. Rendering planets with high detail from orbit to surface level is becoming increasingly common in video games. In this thesis, two solutions to achieving this will be compared, a quadtree solution and a tessellation solution. These solutions both implement an adaptive level of detail on a spherical shape. The quadtree solution uses six quadtrees to construct the planetary terrain mesh on the CPU with higher detail closer to the viewer. The tessellation solution uses the GPU to subdivide areas of a basic low-resolution model to achieve higher levels of detail close to the viewer. Objectives. Related work that has implemented these solutions uses old hardware and there is a lack of performance data on these solutions running on modern hardware. The objective of this project is to provide performance data and a comparison between the quadtree solution and the tessellation solution on modern hardware. This comparison will include a discussion of the negative and positive performance aspects of the two solutions. Methods. The two solutions will be implemented to create two similar-looking applications with a focus on only the technical aspects of rendering a globe mesh with each of these solutions. The frame time both on the CPU and on the GPU will be measured for each solution. The measurements will be taken at four different distances from the globe, meaning four different levels of detail. Due to a limitation of tessellation, this solution has to be provided with a higher resolution base model to achieve similar detail levels at the surface level. Results. The results show the quadtree frame time increasing with measurements taken closer to the surface of the globe. The tessellation results show a larger performance impact, though this is due to the base globe mesh being swapped for a higher-resolution model. Conclusions. The result suggests that the tessellation solution performs worse, however, the tessellation solution still shows little to no performance loss when comparing frame time measured on the same base mesh, even though the detail difference between them is high. The quadtree solution has an overall better performance and provides more control over the detail levels. The lack of control over the detail levels in the tessellation solution means that the detail level can not be matched exactly, which leads to the tessellation solution giving a richer topology.

In der heutigen Zeit bilden Netzwerke, auf technologischer sowie sozialer Ebene, die zentralen Systeme in der Informationsverarbeitung. Graphen stellen mit ihren mathematischen Eigenschaften eine geeignete Art der Beschreibung von Netzwerken dar. Seit 1741, beginnend mit Eulers Königsberger Brückenproblem (Euler 1741), werden Graphen für die Visualisierung thematisiert. Mit Beginn der Netzwerktechnik Mitte des 20. Jahrhunderts und der Entstehung digitaler sowie sozialer Netzwerke wächst das Interesse an der Visualisierung von Graphen. Dies setzt sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit dem Aufbau von Firmennetzwerken und deren steigender Komplexität fort. Verschiedene Bereiche wie Psychologie, Mathematik, Kunst, Mensch-Maschine-Systemtechnik und Mediengestaltung beeinflussen die Ausprägung der Visualisierung von Graphen. Insbesondere psychologische Aspekte der visuellen Wahrnehmung und der kognitiven Leistung bilden die Grundlage zur Gestaltung von Graphen. Netzwerke beinhalten einen hohen Informationsgrad für den Rezipienten. Am Beispiel komplexer Firmennetzwerke stellt sich die Herausforderung nach einer effizienten und individuellen Exploration. Aktuelle Lösungen in Form von Tabellen und Datenbankabfragesprachen erzeugen eine hohe kognitive Last des Nutzers. Die Darstellung von Netzwerken in Graphen unterstützt den Nutzer in der Erfassung des Kontexts. Aktuelle Visualisierungskonzepte für Graphen bieten nur geringe Möglichkeiten der individuellen Exploration. Dies resultiert in einem „Lost-in-Context“-Effekt und einer erhöhten kognitiven Last. Das Visualisierungs- und Interaktionskonzept dieser Arbeit ermöglicht die Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts sowie der kognitiven Last. Dieser Forschungsansatz der Arbeit lässt sich dazu in drei Betrachtungsbereiche unterteilen: das Gedächtnismodell zur visuellen Kognition, das globale Strukturmittel und die lokalen Strukturmittel der graphenbasierten Exploration. Im Bereich der visuellen Kognition wird als Grundlage das Gedächtnismodell von Kosslyn diskutiert und adaptiert. Diese Adaption für die graphenbasierte Exploration zeigt die Verwendung von mentalen Karten des Nutzers. Dies basiert auf der Identifikation von semantischen und numerischen Werten der wahrgenommenen Objekte. Das globale Strukturmittel „Multi-Level-of-Detail“-Konzept basiert auf der Abbildung semantischer und numerischer Eigenschaften von wahrgenommenen Objekten auf eine mentale Karte. Das Gedächtnismodell von Kosslyn wird für die graphenbasierte Exploration angepasst und stellt die Grundlage für diese Abbildung dar. Das globale Strukturmittel ermöglicht dem Nutzer, parallel mehrere Detailstufen in der Graphvisualisierung zu erzeugen und individuell zu manipulieren. Dies reduziert die kognitive Last während der graphenbasierten Exploration. Die Einführung des globalen Strukturmittels fordert die Betrachtung lokaler Strukturmittel zur visuellen Wahrnehmung und Gestaltung des Graphen. Im Bereich der lokalen Strukturmittel werden die verschiedenen graphischen und interaktiven Mittel zur graphenbasierten Exploration diskutiert. Vor dem Hintergrund des aufgestellten Gedächtnismodells sowie den Grundlagen der Gestaltgesetze wird ein Baukasten visueller Elemente zur Gestaltung von Graphen betrachtet. Dieser wird durch die Diskussion der Eigenschaften der Graphobjekte, zum Beispiel: Position, Größe, Form, Clustern und Bündeln, beeinflusst. In einer prototypischen Umsetzung des Konzepts wird, im Vergleich zu Tabellen und Datenbankabfragesprachen, am Beispiel eines komplexen Firmennetzwerks die Reduktion der kognitiven Last gezeigt. Die Evaluation der kognitiven Last erfolgt mittels des NASA-TLX. In einem „Within-Subject“ Experiment werden Experten zu dem Konzept befragt. Dieses zeigt, dass im Vergleich zu aktuellen Graphdarstellungen eine Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts eintritt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass nicht alle gestalterischen Mittel der lokalen Strukturmittel, im Vergleich zu aktuellen Lösungen und Konzepten, eine Verbesserung brachten. Die zentralen Aspekte des eingeführten Konzepts zeigen die Verwendung von mentalen Karten während der graphenbasierten Exploration komplexer Netzwerke.

Real-time simulation of complex audio-visual scenes remains challenging due to the technically independent but perceptually related rendering process in each modality. Because of the potential crossmodal dependency of auditory and visual perception, the optimization of graphics and sound rendering, such as Level of Details (LOD), should be considered in a combined manner but not as separate issues. For instance, in audition and vision, people have perceptual limits on observation quality. Techniques of perceptually driven LOD for graphics have been greatly advanced for decades. However, the concept of LOD is rarely considered in crossmodal evaluation and rendering. This thesis is concentrated on the crossmodal evaluation of perception on audiovisual LOD rendering by psychophysical methods, based on that one may apply a functional and general method to eventually optimize the rendering. The first part of the thesis is an overview of our research. In this part, we review various LOD approaches and discuss concerned issues, especially from a crossmodal perceptual perspective. We also discuss the main results on the design, rendering and applications of highly detailed interactive audio and graphical scenes of the ANR Topophonie project, in which the thesis took place. A study of psychophysical methods for the evaluation on audio-visual perception is also presented to provide a solid knowledge of experimental design. In the second part, we focus on studying the perception of image artifacts in audio-visual LOD rendering. A series of experiments was designed to investigate how the additional audio modality can impact the visual detection of artifacts produced by impostor-based LOD. The third part of the thesis is focused on the novel extended-X3D that we designed for audio-visual LOD modeling. In the fourth part, we present a design and evaluation of the refined crossmodal LOD system. The evaluation of the audio-visual perception on crossmodal LOD system was achieved through a series of psychophysical experiments. Our main contribution is that we provide a further understanding of crossmodal LOD with some new observations, and explore it through perceptual experiments and analysis. The results of our work can eventually be used as the empirical evidences and guideline for a perceptually driven crossmodal LOD system.

In der heutigen Zeit bilden Netzwerke, auf technologischer sowie sozialer Ebene, die zentralen Systeme in der Informationsverarbeitung. Graphen stellen mit ihren mathematischen Eigenschaften eine geeignete Art der Beschreibung von Netzwerken dar. Seit 1741, beginnend mit Eulers Königsberger Brückenproblem (Euler 1741), werden Graphen für die Visualisierung thematisiert. Mit Beginn der Netzwerktechnik Mitte des 20. Jahrhunderts und der Entstehung digitaler sowie sozialer Netzwerke wächst das Interesse an der Visualisierung von Graphen. Dies setzt sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit dem Aufbau von Firmennetzwerken und deren steigender Komplexität fort. Verschiedene Bereiche wie Psychologie, Mathematik, Kunst, Mensch-Maschine-Systemtechnik und Mediengestaltung beeinflussen die Ausprägung der Visualisierung von Graphen. Insbesondere psychologische Aspekte der visuellen Wahrnehmung und der kognitiven Leistung bilden die Grundlage zur Gestaltung von Graphen. Netzwerke beinhalten einen hohen Informationsgrad für den Rezipienten. Am Beispiel komplexer Firmennetzwerke stellt sich die Herausforderung nach einer effizienten und individuellen Exploration. Aktuelle Lösungen in Form von Tabellen und Datenbankabfragesprachen erzeugen eine hohe kognitive Last des Nutzers. Die Darstellung von Netzwerken in Graphen unterstützt den Nutzer in der Erfassung des Kontexts. Aktuelle Visualisierungskonzepte für Graphen bieten nur geringe Möglichkeiten der individuellen Exploration. Dies resultiert in einem „Lost-in-Context“-Effekt und einer erhöhten kognitiven Last. Das Visualisierungs- und Interaktionskonzept dieser Arbeit ermöglicht die Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts sowie der kognitiven Last. Dieser Forschungsansatz der Arbeit lässt sich dazu in drei Betrachtungsbereiche unterteilen: das Gedächtnismodell zur visuellen Kognition, das globale Strukturmittel und die lokalen Strukturmittel der graphenbasierten Exploration. Im Bereich der visuellen Kognition wird als Grundlage das Gedächtnismodell von Kosslyn diskutiert und adaptiert. Diese Adaption für die graphenbasierte Exploration zeigt die Verwendung von mentalen Karten des Nutzers. Dies basiert auf der Identifikation von semantischen und numerischen Werten der wahrgenommenen Objekte. Das globale Strukturmittel „Multi-Level-of-Detail“-Konzept basiert auf der Abbildung semantischer und numerischer Eigenschaften von wahrgenommenen Objekten auf eine mentale Karte. Das Gedächtnismodell von Kosslyn wird für die graphenbasierte Exploration angepasst und stellt die Grundlage für diese Abbildung dar. Das globale Strukturmittel ermöglicht dem Nutzer, parallel mehrere Detailstufen in der Graphvisualisierung zu erzeugen und individuell zu manipulieren. Dies reduziert die kognitive Last während der graphenbasierten Exploration. Die Einführung des globalen Strukturmittels fordert die Betrachtung lokaler Strukturmittel zur visuellen Wahrnehmung und Gestaltung des Graphen. Im Bereich der lokalen Strukturmittel werden die verschiedenen graphischen und interaktiven Mittel zur graphenbasierten Exploration diskutiert. Vor dem Hintergrund des aufgestellten Gedächtnismodells sowie den Grundlagen der Gestaltgesetze wird ein Baukasten visueller Elemente zur Gestaltung von Graphen betrachtet. Dieser wird durch die Diskussion der Eigenschaften der Graphobjekte, zum Beispiel: Position, Größe, Form, Clustern und Bündeln, beeinflusst. In einer prototypischen Umsetzung des Konzepts wird, im Vergleich zu Tabellen und Datenbankabfragesprachen, am Beispiel eines komplexen Firmennetzwerks die Reduktion der kognitiven Last gezeigt. Die Evaluation der kognitiven Last erfolgt mittels des NASA-TLX. In einem „Within-Subject“ Experiment werden Experten zu dem Konzept befragt. Dieses zeigt, dass im Vergleich zu aktuellen Graphdarstellungen eine Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts eintritt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass nicht alle gestalterischen Mittel der lokalen Strukturmittel, im Vergleich zu aktuellen Lösungen und Konzepten, eine Verbesserung brachten. Die zentralen Aspekte des eingeführten Konzepts zeigen die Verwendung von mentalen Karten während der graphenbasierten Exploration komplexer Netzwerke.

Techniques for procedural generation of the graphics content have seen widespread use in multimedia over the past thirty years. It is still an active area of research with many applications in 3D modeling software, video games, and films. This thesis focuses on algorithmic generation of virtual terrains in real-time and their real-time visualization. We provide an overview of available approaches and present an extendable library for procedural terrain synthesis. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

L'objectif de cette thèse est lerendu de scène virtuelles extrêmement détaillées.Nous nous intéressons plus particulièrementaux algorithmes de rendu de haute qualitéreposant sur du path tracing qui sont très largement utilisésdans l'industrie des effets spéciaux et pour calculerle rendu des films d'animations.Les grandes quantités de détail nécessaires à la modélisationde mondes virtuels crédibles soulèvent de sérieux problèmes d'efficacitédu rendu qui paralysent les studios et compliquent grandementle travail des artistes. Nous introduisons de nouveaux algorithmespour préfiltrer les objets 3D complexes à des échelles arbitraires,afin de réduire les temps de chargement, les coûts d'intersection des rayons lumineux,le calcul des matériaux et la quantité de bruit dans les images,le tout sans porter atteinte à la qualité du rendu.Nos contributions principales sont une nouvelle approchehybride de niveaux de détail qui allie les avantages des maillageset des représentations volumiques pour le préfiltrage des objets complexes àdes échelles arbitraires, ainsi qu'une nouvelle approchede préfiltrage pour le cas des volumes hétérogènes de haute résolution. / We address the problem of rendering extremely complex virtualscenes with large amounts of detail. We focuson high-end off-line rendering algorithms based on path tracing thatare intensively used in the special effects and 3D animation industries.The large amounts of detail required for creating believable virtual worldsraise important efficiency problemsthat paralyze production rendering pipelines andgreatly complicate the work of 3D artists.We introduce new algorithms for prefilteringcomplex 3D assets while preserving their appearanceat all scales, in order to reduce loading times,ray intersection costs, shading costs and Monte Carlo noise,without lowering the quality of rendered frames.Our main contributions are a new hybrid LODapproach that combines the benefits ofmeshes and volumetric representationsfor prefiltering complex 3D assets,as well as a new approach for prefilteringhigh-resolution heterogeneous participatingmedia.

Background To be able to push game standards further and further, different graphics techniques have to be implemented by game developers. By utilizing some of those techniques, comes cost in the form of performance issues. Level of detail (LOD) is an optimization technique which uses several different variations of a model and distance from the viewer to determine which model should be rendered. Shadow mapping is, on the contrary from level of detail, a costly technique which aims to create as realistically looking shadows as possible. Objectives The aim of this thesis is to examine whether a novel LOD technique and shadow map technique called LOD-SM can achieve less render time versus using a standard implementation of shadow mapping. This is achieved by using the Unity game engine in which the LOD-SM technique is implemented. With Unity, measurements will be taken to determine if the technique is a viable optimization option in future game development. Methods The methods used to answer the paper’s research question were a pilot user study and a performance study. 20 participants were part of the pilot study, and were asked to rate their perception of shadows shown on a screen in front of them. This yielded results of which shadows the participants noticed differences for. The results were then implemented into Unity and measured with the LOD-SM technique. Results The pilot study showed that user does not notice any differences in 30% decreased polycount-shadows when in a multiple building environment. The gathered results from the performance experiment showed that the LOD-SM technique saved between ∼17% up to ∼70% in render time, compared to a regular implementation of shadow mapping. Conclusions In conclusion, a viable optimization option was found which is to lower a shadow maps appearance based on buildings LODs because as the results has shown, users does not notice the lowering of LODs up to 30% when in a multiple building area. It was discovered that by measuring the LOD-SM technique, clear evidence of optimization was found when using the technique versus using a normal implementation of shadow mapping. Developers would have to consider the size of project and its models before implementing the LOD-SM technique, as it might not be viable for projects with a total polycount of less than 100 000 polygons.