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Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory / Rendu photoréaliste de surfaces avec la théorie des microfacettesDupuy, Jonathan 26 November 2015 (has links)
La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale / Photorealistic rendering involves the numeric resolution of physically accurate light/matter interactions which, despite the tremendous and continuously increasing computational power that we now have at our disposal, is nowhere from becoming a quick and simple task for our computers. This is mainly due to the way that we represent objects: in order to reproduce the subtle interactions that create detail, tremendous amounts of geometry need to be queried. Hence, at render time, this complexity leads to heavy input/output operations which, combined with numerically complex filtering operators, require unreasonable amounts of computation times to guarantee artifact-free images. In order to alleviate such issues with today's constraints, a multiscale representation for matter must be derived. In this thesis, we derive such a representation for matter whose interface can be modelled as a displaced surface, a configuration that is typically simulated with displacement texture mapping in computer graphics. Our representation is derived within the realm of microfacet theory (a framework originally designed to model reflection of rough surfaces), which we review and augment in two respects. First, we render the theory applicable across multiple scales by extending it to support noncentral microfacet statistics. Second, we derive an inversion procedure that retrieves microfacet statistics from backscattering reflection evaluations. We show how this augmented framework may be applied to derive a general and efficient (although approximate) down-sampling operator for displacement texture maps that (a) preserves the anisotropy exhibited by light transport for any resolution, (b) can be applied prior to rendering and stored into MIP texture maps to drastically reduce the number of input/output operations, and (c) considerably simplifies per-pixel filtering operations, resulting overall in shorter rendering times. In order to validate and demonstrate the effectiveness of our operator, we render antialiased photorealistic images against ground truth. In addition, we provide C++ implementations all along the dissertation to facilitate the reproduction of the presented results. We conclude with a discussion on limitations of our approach, and avenues for a more general multiscale representation for matter
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Photorealistic Surface Rendering with Microfacet TheoryDupuy, Jonathan 09 1900 (has links)
La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière.
Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale. / Photorealistic rendering involves the numeric resolution of physically accurate light/matter interactions which, despite the tremendous and continuously increasing computational power that we now have at our disposal, is nowhere from becoming a quick and simple task for our computers. This is mainly due to the way that we represent objects: in order to reproduce the subtle interactions that create detail, tremendous amounts of geometry need to be queried. Hence, at render time, this complexity leads to heavy input/output operations which, combined with numerically complex filtering operators, require unreasonable amounts of computation times to guarantee artifact-free images. In order to alleviate such issues with today's constraints, a multiscale representation for matter must be derived.
In this thesis, we derive such a representation for matter whose interface can be modelled as a displaced surface, a configuration that is typically simulated with displacement texture mapping in computer graphics. Our representation is derived within the realm of microfacet theory (a framework originally designed to model reflection of rough surfaces), which we review and augment in two respects. First, we render the theory applicable across multiple scales by extending it to support noncentral microfacet statistics. Second, we derive an inversion procedure that retrieves microfacet statistics from backscattering reflection evaluations. We show how this augmented framework may be applied to derive a general and efficient (although approximate) down-sampling operator for displacement texture maps that (a) preserves the anisotropy exhibited by light transport for any resolution, (b) can be applied prior to rendering and stored into MIP texture maps to drastically reduce the number of input/output operations, and (c) considerably simplifies per-pixel filtering operations, resulting overall in shorter rendering times. In order to validate and demonstrate the effectiveness of our operator, we render antialiased photorealistic images against ground truth. In addition, we provide C++ implementations all along the dissertation to facilitate the reproduction of the presented results. We conclude with a discussion on limitations of our approach, and avenues for a more general multiscale representation for matter.
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Semi-transparent textures based on opaque and transparent texels augmented with a thicknessDavid-Babin, Mathieu 09 1900 (has links)
Le rendu en temps réel repose sur des compromis entre la performance et le réalisme. Un de ces compromis est de représenter des matériaux plus minces tels que les tissus comme étant infiniment minces pour économiser mémoire et temps de rendu. Par contre, cette perte de dimension prive la surface de propriétés essentielles à certains effets visuels. Dans ce mémoire, nous présentons une méthode pour simuler les effets de l’épaisseur sur des surfaces semi-transparentes en utilisant des textures composées de texels opaques et transparents. Nous analysons les trous formés par les texels transparents et nous conservons de l’information sur les contours des trous dans une structure hiérarchique compatible avec la méthode de filtrage de textures par MIP map. Nous dérivons des équations représentant la proportion de lumière passant dans un trou avec des murs intérieurs en fonction de l’angle incident des rayons de lumière. Nous combinons ces équations avec l’information conservée pour calculer un terme de transparence à différents niveaux de détail en temps réel. / Real-time rendering is built upon compromises between performance and realism. One such compromise is to represent thinner materials like textile as infinitely thin in order to save on memory and rendering time. However, this loss of dimension robs the surface of properties key to some visual effects. In this thesis, we present a method to simulate the effects of thickness on semi-transparent surfaces using textures consisting of opaque and transparent texels. We analyze holes formed by transparent texels and store information about the contours of the holes in a hierarchical structure compatible with the filtering method of MIP mapping. We derive equations representing the proportion of light passing through a hole as a function of the incident angle of light. The proportions of texel top, texel side wall, and hole are computed accurately. We combine these equations with the information stored to compute a transparency term at different levels of detail in real time.
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Komprese výškových map / Height map compression techniquesLašan, Michal January 2016 (has links)
The goal of this thesis is to design a suitable method for lossy compression of heightmap terrain data. This method should accept blocks of float samples of dimensions 2^n x 2^n as an input, for which it should be able to perform progressive decompression of mip-maps (lower-resolution representations). It should keep the reconstructed data within a certain maximum per-sample error bound for each mip-map level. This bound should be in the unit of meters and adjustable by the user. Given these constraints, it should be as efficient as possible. Our method is inspired by the second generation of progressive wavelet-based compression scheme modified to satisfy the~maximum-error constraint. We simplified this scheme by factoring out unnecessary computations in order to improve the efficiency. Our method can compress a 256x256 block in about 30 ms and decompress it in about 2 ms. Thanks to these attributes, the method can be used in a real-time planet renderer. It achieves the compression ratio of 37:1 on the whole Earth 90m/sample terrain dataset transformed and separated into square blocks, while respecting the maximum error of 5m. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
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Simulation des fonctions de texture bidirectionnellesYengui, Mohamed Yessine 01 1900 (has links)
Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence
sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF).
Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes
restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons
principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données.
Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation.
Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des
résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer
et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera
par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien
adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations.
Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations
multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type
MIP map. / The realism of objects in computer graphics requires adequate simulation of their
appearence under different light/view directions and at various scales. A solution commonly
adopted by researchers consists in measuring the reflectance of a real surface by
means of calibrated devices. The measured data is encoded in the form of a reflectance
model (BRDF) or a texture of reflectance (BTF). Despite significant progress in this area,
the measured appearence data remain very infrequently used. This reluctance could be
explained by two main reasons: (1) the limited number of high-quality measured materials
and (2) the huge storage space required by the data. In this work, we suggest
resolving these two problems from the angle of simulation. We consider that the level of
realism in rendered images already produces satisfactory results with current techniques.
Therefore, we propose to precompute and encode the effects of lighting on a completely
synthetic micro-geometry, which will be applied on surfaces. This production pipeline
being already well adopted by artists, it should better fit into their realizations. To ensure
that this model also respects the requirements of multi-scale representations, we also
propose an adaptation of the BTF to a MIP map encoding.
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Simulation des fonctions de texture bidirectionnellesYengui, Mohamed Yessine 01 1900 (has links)
Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence
sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF).
Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes
restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons
principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données.
Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation.
Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des
résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer
et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera
par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien
adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations.
Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations
multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type
MIP map. / The realism of objects in computer graphics requires adequate simulation of their
appearence under different light/view directions and at various scales. A solution commonly
adopted by researchers consists in measuring the reflectance of a real surface by
means of calibrated devices. The measured data is encoded in the form of a reflectance
model (BRDF) or a texture of reflectance (BTF). Despite significant progress in this area,
the measured appearence data remain very infrequently used. This reluctance could be
explained by two main reasons: (1) the limited number of high-quality measured materials
and (2) the huge storage space required by the data. In this work, we suggest
resolving these two problems from the angle of simulation. We consider that the level of
realism in rendered images already produces satisfactory results with current techniques.
Therefore, we propose to precompute and encode the effects of lighting on a completely
synthetic micro-geometry, which will be applied on surfaces. This production pipeline
being already well adopted by artists, it should better fit into their realizations. To ensure
that this model also respects the requirements of multi-scale representations, we also
propose an adaptation of the BTF to a MIP map encoding.
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