Thesis (MSc (Mathematical Sciences))--Stellenbosch University, 2008. / A novel implementation exploiting modern hardware is explored and found to be a significant improvement over current methods used. A 50 times performance increase in the computation time of DRRs is achieved over the conventional ray casting approach and image registration is performed in under a minute.

The Next-Best-View (NBV) problem plays an important part in automatic 3D object reconstruction and exploration applications. This thesis presents a novel approach of ray-casting in Occupancy Grid Maps (OGM) in the context of solving the NBV problem in a 3D-exploration setting. The proposed approach utilizes the structure of an octree-based OGM to perform calculations of potential information gain. The computations are significantly faster than current methods, without decreasing mapping quality. Performance, both in terms of mapping quality, coverage and computational complexity, is experimentally verified through a comparison with existing state-of-the-art methods using high-resolution point cloud data generated using time-of-flight laser range scanners. Current methods for viewpoint ranking focus either heavily on mapping performance or computation speed. The results presented in this thesis indicate that the proposed method is able to achieve a mapping performance similar to the performance-oriented approaches while maintaining the same low computation speed as more approximative methods.

This thesis discusses rendering capabilities of web browsers of accelerated 3D scene rendering. It specifically deals with direct volumetric medical data visualization. It focuses on the usage of ray casting algorithm, its quality and its realistic rendering options. One of the goals was to create an application that demonstrates the ability to render three-dimensional volume data in a web browser using WebGL. The application is written in JavaSript and its 3D rendering core uses the Three.js library.

This thesis discusses possibilities of accelerated 3D scene displaying in a Web browser. In more detail, it deals with WebGL standard and its use in real applications. An application for visualization of volumetric medical data based on JavaScript, WebGL and Three.js library was designed and implemented. Image data are loaded from Google Drive cloud storage. An important part of the application is 3D visualization of the volumetric data based on volume rendering technique called Ray-casting.

The first part of this project is focused on theoretical analysis of methods for rendering volume data. Both methods are analyzed showing the volume data using triangle mesh, and methods for direct volume rendering. Ray Casting is presented in detail. Possible way of its realization using graphics card is the subject of implementation part. The paper presents several methods that could be applied to ray casting and achieve different results of visualization of the same data. The work also aims to create a  graphical user interface that allows interactive visualizations.

Theoretical part of this project is focused on rendering of volumetric data. It compares and appraise individual methods and thus readers get a good basic knowledge of commonnest causes of problems. Texture Mapped Volume Rendering and Volume Ray-casting methods are described in detail and the latter method is used in implementation of graphic system designed in this thesis. Secondary goals of this work are usage of less powerful hardware for volume-rendering, methods of optimization and dynamic change of output quality.

Cotutelle avec l'Université de Poitiers, France / Lors du processus de création d’une image de synthèse photoréaliste, l’objectif principal recherché est de reproduire le transport de la lumière dans un environnement virtuel, en prenant en compte aussi précisément que possible les caractéristiques des objets de la scène 3D. Dans la perception de notre environnement, les détails très fins ont une grande importance sur l’apparence des objets, tels que des rayures sur un morceau de métal, des particules dans du vernis, ou encore les fibres d'un tissu. Il est primordial de pouvoir les reproduire à tout niveau d'échelle. Créer ces détails grâce à des informations géométriques, par exemple un maillage, mène à une trop forte complexité en termes de construction, de stockage, de manipulation et de temps de rendu. Il est donc nécessaire d’utiliser des modèles mathématiques qui permettent d’approcher au mieux les comportements lumineux induits par ces détails. Le travail de cette thèse s'inscrit dans cette problématique de gestion des détails fins par la théorie des microfacettes. En particulier, nous nous sommes intéressés à la notion de masquage-ombrage permettant de calculer la proportion de surface qui est à la fois visible de l’observateur et éclairée. Pour cela, nous étudions le modèle théorique proposé par Smith et par Ashikhmin et al. dans lequel la représentation mathématique est basée sur des contraintes liées à la position des facettes, leur orientation, leur aire et les corrélations entre ces caractéristiques. Nous avons éprouvé le modèle sur plus de 400 maillages 3D reconstruits à partir de surfaces réelles qui ne respectent pas nécessairement les contraintes imposées du modèle. Quelques maillages sont également générés à partir de distributions des orientations de microfacettes de Beckmann et GGX largement utilisées dans les moteurs de simulation académiques et industriels. Pour chacun des maillages, une fonction de masquage de référence est mesurée grâce à un algorithme de tracer de rayons. Nous pouvons ainsi comparer le masquage réel d'une microsurface prenant en compte la donnée dans son entièreté, à son masquage théorique calculé seulement par la distribution de ses micronormales. Cette étude met en évidence un lien entre l'erreur du masquage théorique et certaines caractéristiques de la microsurface, telles que sa rugosité, son anisotropie, ou le non respect des contraintes du modèle. Nous proposons une méthode pour développer un modèle prédictif de l'erreur calculable à partir de ces caractéristiques et sans avoir recours au lourd processus de tracer de rayons. L’analyse montre également le lien entre l'erreur au niveau du terme de masquage et sa répercussion dans le rendu final d'une image de synthèse. La possibilité de prédire l'erreur grâce à un processus rapide permet d'estimer la complexité de l'usage d'une microgéométrie dans un rendu photoréaliste. Nous complétons nos travaux en proposant un facteur correctif au masquage théorique pour les surfaces isotropes, là encore calculable directement à partir des caractéristiques du maillage. Nous montrons le gain de précision que cette correction apporte, tant au niveau du masquage lui-même qu'au niveau des rendus d'images de synthèse. La thèse est conclue avec une discussion présentant les limites actuelles de notre étude et ses perspectives futures. / During the creation process of a photorealistic image, the main goal is to reproduce light transport in a virtual environment by considering as accurately as possible the characteristics of the surfaces from the 3D scene. In the real world, very fine details may have a tremendous impact on the visual aspect. For instance, scratches over metal, particles within varnish, or fibers of a fabric, will visually alter surface appearance. It is therefore crucial to be able to simulate such effects at every level of detail. However, creating such microgeometry for a given 3D mesh is a complex task that results in very high memory requirements and computation time. Mathematical models must be used to approximate as precisely as possible light effects produced by these details. This thesis considers fine details from the microfacet theory, and in particular, the masking-shadowing factor that corresponds to the proportion of microsurfaces that are both visible and illuminated. We study the commonly used theoretical model of Smith and Ashikhmin et al. where the mathematical representation is derived from constraints about microfacets positions, orientations, areas, and correlations between those characteristics. The proposed model has been confronted to more than 400 3D meshes, built from real-world measured surfaces that do not necessarily fulfill the theory constraints. Some of them have also been generated from the widely used Beckmann and GGX distributions. For each mesh, the ground-truth masking effect is measured using ray tracing, and compared with the theoretical masking computed only from the distribution of micronormals. Our study highlights a connection between the theoretical masking's error and some microsurface's characteristics, such as roughness, anisotropy, or non-compliance with required constraints. We provide a method for deriving a predictive model for this error. The mesh characteristics are sufficient to compute this model without requiring heavy ray tracing computation. Our analysis shows how the masking error impacts the rendering process. We also derive a model capable of predicting rendering errors from surface characteristics. With the opportunity to predict the error with a fast computation from a 3D mesh, one can estimate the complexity to use a given microgeometry for a photorealistic rendering. Our study concludes with the formulation of a correction function added to the theoretical masking term for isotropic surfaces. This correction is computed directly from the 3D mesh characteristics without any ray tracing involved. We show gains in the accuracy of the model when corrected with our formula, both for the masking effect itself and its impact on the exactness of the renderings. This thesis is concluded with a discussion about the current limitations of our study and some future perspectives.

La simulation de cas réalistes d'écoulements ou de transferts thermiques implique souvent l'utilisation d'obstacles ou d'interfaces de forme complexe. De part leur manque de flexibilité, les maillages structurés ne sont pas initialement adaptés au traitement d'interfaces irrégulières, ces dernières coïncidant rarement avec les lignes du maillage. Afin de permettre à l'approche structurée de traiter des interfaces complexes avec précision, des méthodes dites de domaines fictifs sont nécessaires. La première contribution de cette thèse est une nouvelle méthode de travail sur maillage curviligne structuré qui permet de réutiliser de nombreuses méthodes fonctionnant initialement sur des maillages cartésiens sur maillages curvilignes. Nous avons ensuite mis au point deux nouvelles méthodes de domaines fictifs : la méthode de pénalisation de sous-maille (PSM) pour la gestion des frontières immergées pour les équations elliptiques et de Navier-Stokes et la méthode d'interface immergée algébrique (IIA) pour les problèmes d'interfaces immergées pour les équations elliptiques. L'un des intérêts de ces deux méthodes à l'ordre deux en espace est leur simplicité. Ces différents développements ont finalement été appliqués à des cas de couplage fluide-structure académiques et réalistes (sédimentation d'un cylindre, hydroplanage d'un pneu, écoulements dans une tête de forage et convection naturelle dans la grotte de Lascaux).