Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-09-25T20:32:22Z No. of bitstreams: 3 Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 18601269 bytes, checksum: ec6c9955a2f1d95120cab2f797232e97 (MD5) Capa Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 4769532 bytes, checksum: 3d15c52d57be870999449e2a7b78fbb3 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-09-26T11:57:17Z (GMT) No. of bitstreams: 3 Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 18601269 bytes, checksum: ec6c9955a2f1d95120cab2f797232e97 (MD5) Capa Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 4769532 bytes, checksum: 3d15c52d57be870999449e2a7b78fbb3 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-26T11:57:17Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 18601269 bytes, checksum: ec6c9955a2f1d95120cab2f797232e97 (MD5) Capa Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 4769532 bytes, checksum: 3d15c52d57be870999449e2a7b78fbb3 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2013-06-14 / The purpose of this work is to present a methodology for optimizing the geometry of the Light Emitting Diode (LED) secondary lens, in non-imaging applications, which focuses on the distribution of illuminance on a target plane. The simulation of Ray Tracing is produced by stochastic method and the optimization process based on heuristic search interacts with Ray Tracing to nd the optimized parameters of the LED secondary lens geometry. / O propósito deste trabalho e apresentar uma metodologia para otimiza ção da geometria da lente secund ária de Light Emitting Diode (LED) para aplica ção em iluminação, tendo como enfoque a distribuição da iluminância sobre um plano alvo. A simulação do Ray Tracing e produzida através do m etodo estoc astico e o processo de otimização interage com o Ray Tracing através de um m étodo heur ístico na busca dos parâmetros otimizados da geometria da lente secundária do LED.

La génération d'images de synthèse pour la production cinématographique n'a cessé d'évoluer durant ces dernières décennies. Pour le non-expert, il semble que les effets spéciaux aient atteint un niveau de réalisme ne pouvant être dépassé. Cependant, les logiciels mis à la disposition des artistes ont encore du progrès à accomplir. En effet, encore trop de temps est passé à attendre le résultat de longs calculs, notamment lors de la prévisualisation d'effets spéciaux. La lenteur ou la mauvaise qualité des logiciels de prévisualisation pose un réel problème aux artistes. Cependant, l'évolution des cartes graphiques ces dernières années laisse espérer une potentielle amélioration des performances de ces outils, notamment par la mise en place d'algorithmes hybrides rasterisation/ lancer de rayons, tirant profit de la puissance de calcul de ces processeurs, et ce, grâce à leur architecture massivement parallèle. Cette thèse explore les différentes briques logicielles nécessaires à la mise en place d'un pipeline de rendu complexe sur carte graphique, permettant une meilleure prévisualisation des effets spéciaux. Différentes contributions ont été apportées à l'entreprise durant cette thèse. Tout d'abord, un pipeline de rendu hybride a été développé (cf. Chapitre 2). Par la suite, différentes méthodes d'implémentation de l'algorithme de Path Tracing ont été testées (cf. Chapitre 3), de façon à accroître les performances du pipeline de rendu sur GPU. Une structure d'accélération spatiale a été implémentée (cf. Chapitre 4), et une amélioration de l'algorithme de traversée de cette structure sur GPU a été proposée (cf. Section 4.3.2). Ensuite, une nouvelle méthode de décorrélation d'échantillons, dans le cadre de la génération de nombres aléatoires a été proposée (cf. Section 5.4) et a donné lieu à une publication [Dufay et al., 2016]. Pour finir, nous avons tenté de combiner l'algorithme de Path Tracing et les solutions Many Lights, toujours dans le but d'améliorer la prévisualisation de l'éclairage global. Cette thèse a aussi donné lieu à la soumission de trois mémoires d'invention et a permis le développement de deux outils logiciels présentés en Annexe A. / Image synthesis for movie production never stopped evolving over the last decades. It seems it has reached a level of realism that cannot be outperformed. However, the software tools available for visual effects (VFX) artists still need to progress. Indeed, too much time is still wasted waiting for results of long computations, especially when previewing VFX. The delays or poor quality of previsualization software poses a real problem for artists. However, the evolution of graphics processing units (GPUs) in recent years suggests a potential improvement of these tools. In particular, by implementing hybrid rasterization/ray tracing algorithms, taking advantage of the computing power of these processors and their massively parallel architecture. This thesis explores the different software bricks needed to set up a complex rendering pipeline on the GPU, that enables a better previsualization of VFX. Several contributions have been brought during this thesis. First, a hybrid rendering pipeline was developed (cf. Chapter 2). Subsequently, various implementation schemes of the Path Tracing algorithm have been tested (cf. Chapter 3), in order to increase the performance of the rendering pipeline on the GPU. A spatial acceleration structure has been implemented (cf. Chapter 4), and an improvement of the traversal algorithm of this structure on GPU has been proposed (cf. Section 4.3.2). Then, a new sample decorrelation method, in the context of random number generation was proposed (cf. Section 5.4) and resulted in a publication [Dufay et al., 2016]. Finally, we combined the Path Tracing algorithm with the Many Lights solution, always with the aim of improving the preview of global illumination. This thesis also led to the submission of three patents and allowed the development of two software tools presented in Appendix A.

L’onde de tête est l’onde de première arrivée observée au cours d’une inspection TOFD (Time Of Flight Diffraction). La technique TOFD est une méthode d’inspection très répandue en CND (Contrôle Non Destructif) par ultrasons, faisant appel à deux capteurs piézoélectriques positionnés symétriquement et en vis-à-vis, avec un écartement constant, au-dessus de la surface d’entrée de la pièce à inspecter.Une étude numérique montre que la propagation de l’onde de tête près d’une surface d’entrée irrégulière n’est plus un phénomène de propagation uniquement surfacique comme dans le cas d’une surface plane, mais fait aussi intervenir un phénomène de propagation volumique induit par des diffractions du champ ultrasonore sur les irrégularités de surface.Pour modéliser ces phénomènes, une méthode générique de tracé de rayons fondée sur le principe de Fermat généralisé est développée et détermine le parcours effectif dans une pièce de surface irrégulière de toutes les ondes ultrasonores se propageant dont l’onde de tête.L’évaluation des phénomènes de diffraction par des modèles d’amplitude suivant une approche rayons permet ensuite d’obtenir une simulation complète (temps de vol, front d’onde et amplitude) de l’onde de tête pour plusieurs types d’irrégularités surfaciques. Des validations théoriques et expérimentales de l’outil de simulation développé ont été effectuées et se sont avérées concluantes. / The head wave is the first arrival wave received during a TOFD (Time Of Flight Diffraction) inspection. The TOFD technique is a classical ultrasonic NDT (Non Destructive Testing) inspection method employing two piezoelectric transducers which are symmetrically placed facing each other with a constant spacing above the inspected specimen surface.The head wave propagation along an irregular entry surface is shown by a numerical study to be not only a surface propagation phenomenon, as for the plane surface case, but also involves a bulk propagation phenomenon caused by diffractions of the ultrasonic wave field on the surface irregularities.In order to model theses phenomena, a generic ray tracing method based on the generalized Fermat’s principle has been developed and establishes the effective path of any ultrasonic propagating wave in a specimen of irregular surface, notably including the effective head wave path.The diffraction phenomena evaluation by amplitude models using a ray approach allows to provide a complete simulation (time of flight, wave front and amplitude) of the head wave for numerous kinds of surface irregularity. Theoretical and experimental validations of the developed simulation tool have been carried out and have proven successful.

L'avenir de l'astronomie X-dur repose sur le développement de nouveaux instruments permettant la focalisation des photons d'une centaine de keV. En effet, la focalisation permet un gain considérable en sensibilité et en résolution angulaire. Obtenue par réflexions rasantes sur des miroirs Wolter-I, son utilisation jusqu'ici limitée à la dizaine de keV peut être étendue à plus haute énergie grâce à un revêtement spécifique et une importante focale. L'observation du rayonnement X ne pouvant se faire qu'au delà de notre atmosphère, les dimensions des observatoires, et donc leur focale, étaient limitées par les capacités des lanceurs. Depuis quelques années, de nouvelles technologies comme les mats déployables ou le vol en formation sont à l'étude pour s'affranchir de cette limite. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces télescopes, je détaille la géométrie des miroirs Wolter-I, la réflectivité de leur revêtement, la détection dans un semi-conducteur ainsi que la dynamique liée aux mats déployables et au vol en formation. Ces télescopes sont des systèmes optiques complexes, sujets à déformation au cours d'une observation et nécessitent une métrologie précise pour mesurer ces déformations afin de corriger l'image. Pour en étudier les performances, j'ai développé un code reproduisant le fonctionnement réel du télescope. Chaque photon est traité individuellement, son parcours et ses interactions dépendent de l'évolution de la structure du télescope au cours du temps. Chaque élément du télescope est modélisé, ainsi que la métrologie nécessaire à la restitution de sa dynamique. Le parcours du photon est calculé dans un espace vectoriel à trois dimensions, en utilisant des méthodes Monte-Carlo pour reproduire les défauts et la réflectivité des miroirs ainsi que les interactions dans le détecteur. La simulation fournit des images et des spectres en énergie, dont on peut extraire la résolution angulaire, le champ de vue, la surface efficace et l'efficacité de détection. En 2006, la mission d'astronomie Simbol-X fut sélectionnée dans le cadre de l'étude du vol en formation. Ce concept permet d'atteindre une grande distance focale en distribuant le télescope sur deux satellites. Cependant, la dynamique particulière liée au vol en formation a des conséquences sur les performances du télescope et nécessite d'être maitrisée. Dans le cadre de cette mission, ma simulation a permis d'étudier les conséquences de chaque mouvement des satellites sur les performances du télescope ainsi que les conséquences des défauts de la métrologie sur la correction des images. Cette étude a apporté des contraintes sur le contrôle d'attitude de chaque satellite et sur la précision de la métrologie nécessaire. Au regard des résultats obtenus, je démontre la faisabilité d'un tel télescope. Au delà de la mission Simbol-X, je me suis intéressé à l'optimisation des performances d'un télescope X-dur. En utilisant ma simulation, j'ai étudié l'influence de chaque paramètre sur les performances du télescope. Ces études ont mené à la conception du projet PheniX, un télescope opérant dans la gamme 1-200 keV, proposé par le Centre d'Etude Spatial des Rayonnements dans le cadre de l'appel d'offre M3 de l'Agence Spatiale Européenne. Equipé d'un nouveau type de revêtement et d'une focale de 40 mètres obtenue avec un mât déployable, ce télescope affiche un niveau de performance à 100 keV plus de 100 fois supérieur aux missions actuelles. Je présente ce projet ainsi que ses performances attendues, dans la dernière partie de ma thèse.

<p>The propagation of light beams originating from synthetic ‘Type Ia’ supernovae, through an inhomogeneous universe with simplified dynamics, is simulated using a Monte-Carlo Ray-Tracing method. The accumulated statistical (redshift-magnitude) distribution for these synthetic supernovae observations, which is illustrated in the form of a Hubble diagram, produces a luminosity profile similar to the form predicted for a Dark-Energy dominated universe. Further, the amount of mimicked Dark-Energy is found to increase along with the variance in the matter distribution in the universe, converging at a value of Ω_X ≈ 0.7.</p><p>It can be thus postulated that at least under the assumption of simplified dynamics, it is possible to replicate the observed supernovae data in a universe with inhomogeneous matter distribution. This also implies that it is demonstrably not possible to make a direct correspondence between the observed luminosity and redshift with the distance of a cosmological source and the expansion rate of the universe, respectively, at a particular epoch in an inhomogeneous universe. Such a correspondences feigns an apparent variation in dynamics, which creates the illusion of Dark-Energy.</p>

<p>På IKEA går produktionsflödet för en produktbild i dagsläget från konstruktionsritning till fotografering via tillverkning och montering. En produkt som är färdig för tillverkning definieras av sin mekaniska konstruktion och sina ytegenskaper. Ledtiden och kostnaden för bildproduktionen skulle kunna minskas betydligt om produkten kunde avbildas redan i detta stadium, utan att finnas tillverkad. För detta ändamål såg IKEA en möjlighet i att introducera ett nytt produktionsflöde där avancerad datorgrafik, grafisk teknik och bildbehandling omvandlar konstruktionsritningen till produktbild. Ambitionen är att från ritningen ta ut en 3D-modell, placera den i en omgivning, ljussätta och belägga den med material och av detta skapa en tryckbar produktbild som uppfyller företagets höga kvalitetskrav.</p><p>Syftet med examensarbetet var att ta fram förslag på ett konkret sådant flöde genom att undersöka olika programvaror som skulle kunna användas samt att identifiera problemområden och komma med lösningsförslag på dessa. Flödet delades upp i de fem problemområdena konvertering, modellering, ljussättning, material och rendering som bearbetades parallellt. Fokus har under hela projektet legat på färghantering och upplevd bildkvalitet genom att korrekt färg- och detaljåtergivning i bilderna varit pekpinne och ledsagare.</p><p>Konstruktionsritningarna som görs i SolidWorks har konverterats till 3D-modeller med programvaran PolyTrans. I 3ds max har produktmodellerna satts in i en miljö som liknar den verkliga fotostudion, belysts och belagts med material. Efter en studie av olika programvaror för rendering beslutades det att mental ray skulle användas varpå alla bilder skapats med denna. mental ray är en komplex renderare som beräknar ljussättning fysikaliskt riktigt vilket bidrar till fotorealistiska bilder.</p><p>Examensarbetet handlade till mångt och mycket om att köra olika produkter genom flödet och testa med olika inställningar i de olika stegen. Flödet utvärderades kontinuerligt genom att bilderna som kom ut bedömdes visuellt. Dessutom genomfördes några tester för att undersöka inblandade programvarors eventuella brister vad gäller färghantering och upplevd bildkvalitet. Det slutliga resultatet av examensarbetet blev ett flöde som i stor utsträckning liknar arbetsflödet vid nuvarande bildproduktion. Med minimal insats från retuschavdelningen uppfyller bilderna de krav som ställs för att de skall kunna tryckas i IKEA katalogen.</p>

<p>In this report, we show how to implement direct ray tracing of B´ezier surfaces on graphics processing units (GPUs), in particular bicubic rectangular Bézier surfaces and nonparametric cubic Bézier triangles. We use Newton’s method for the rectangular case and show how to use this method to find the ray-surface intersection. For Newton’s method to work we must build a spatial partitioning hierarchy around each surface patch, and in general, hierarchies are essential to speed up the process of ray tracing. We have chosen to use bounding box hierarchies and show how to implement stackless traversal of such a structure on a GPU. For the nonparametric triangular case, we show how to find the wanted intersection by simply solving a cubic polynomial. Because of the limited precision of current GPUs, we also propose a numerical approach to solve the problem, using a one-dimensional Newton search.</p>

The propagation of light beams originating from synthetic ‘Type Ia’ supernovae, through an inhomogeneous universe with simplified dynamics, is simulated using a Monte-Carlo Ray-Tracing method. The accumulated statistical (redshift-magnitude) distribution for these synthetic supernovae observations, which is illustrated in the form of a Hubble diagram, produces a luminosity profile similar to the form predicted for a Dark-Energy dominated universe. Further, the amount of mimicked Dark-Energy is found to increase along with the variance in the matter distribution in the universe, converging at a value of ΩX ≈ 0.7. It can be thus postulated that at least under the assumption of simplified dynamics, it is possible to replicate the observed supernovae data in a universe with inhomogeneous matter distribution. This also implies that it is demonstrably not possible to make a direct correspondence between the observed luminosity and redshift with the distance of a cosmological source and the expansion rate of the universe, respectively, at a particular epoch in an inhomogeneous universe. Such a correspondences feigns an apparent variation in dynamics, which creates the illusion of Dark-Energy.

In this report, we show how to implement direct ray tracing of B´ezier surfaces on graphics processing units (GPUs), in particular bicubic rectangular Bézier surfaces and nonparametric cubic Bézier triangles. We use Newton’s method for the rectangular case and show how to use this method to find the ray-surface intersection. For Newton’s method to work we must build a spatial partitioning hierarchy around each surface patch, and in general, hierarchies are essential to speed up the process of ray tracing. We have chosen to use bounding box hierarchies and show how to implement stackless traversal of such a structure on a GPU. For the nonparametric triangular case, we show how to find the wanted intersection by simply solving a cubic polynomial. Because of the limited precision of current GPUs, we also propose a numerical approach to solve the problem, using a one-dimensional Newton search.

På IKEA går produktionsflödet för en produktbild i dagsläget från konstruktionsritning till fotografering via tillverkning och montering. En produkt som är färdig för tillverkning definieras av sin mekaniska konstruktion och sina ytegenskaper. Ledtiden och kostnaden för bildproduktionen skulle kunna minskas betydligt om produkten kunde avbildas redan i detta stadium, utan att finnas tillverkad. För detta ändamål såg IKEA en möjlighet i att introducera ett nytt produktionsflöde där avancerad datorgrafik, grafisk teknik och bildbehandling omvandlar konstruktionsritningen till produktbild. Ambitionen är att från ritningen ta ut en 3D-modell, placera den i en omgivning, ljussätta och belägga den med material och av detta skapa en tryckbar produktbild som uppfyller företagets höga kvalitetskrav. Syftet med examensarbetet var att ta fram förslag på ett konkret sådant flöde genom att undersöka olika programvaror som skulle kunna användas samt att identifiera problemområden och komma med lösningsförslag på dessa. Flödet delades upp i de fem problemområdena konvertering, modellering, ljussättning, material och rendering som bearbetades parallellt. Fokus har under hela projektet legat på färghantering och upplevd bildkvalitet genom att korrekt färg- och detaljåtergivning i bilderna varit pekpinne och ledsagare. Konstruktionsritningarna som görs i SolidWorks har konverterats till 3D-modeller med programvaran PolyTrans. I 3ds max har produktmodellerna satts in i en miljö som liknar den verkliga fotostudion, belysts och belagts med material. Efter en studie av olika programvaror för rendering beslutades det att mental ray skulle användas varpå alla bilder skapats med denna. mental ray är en komplex renderare som beräknar ljussättning fysikaliskt riktigt vilket bidrar till fotorealistiska bilder. Examensarbetet handlade till mångt och mycket om att köra olika produkter genom flödet och testa med olika inställningar i de olika stegen. Flödet utvärderades kontinuerligt genom att bilderna som kom ut bedömdes visuellt. Dessutom genomfördes några tester för att undersöka inblandade programvarors eventuella brister vad gäller färghantering och upplevd bildkvalitet. Det slutliga resultatet av examensarbetet blev ett flöde som i stor utsträckning liknar arbetsflödet vid nuvarande bildproduktion. Med minimal insats från retuschavdelningen uppfyller bilderna de krav som ställs för att de skall kunna tryckas i IKEA katalogen.