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Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier — Grenoble I
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Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Mar 26, 2015

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Kylie Hoover
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Page 1: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images

Nicolas HolzschuchHabilitation à Diriger des

RecherchesUniversité Joseph Fourier —

Grenoble I

Page 2: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Overview

• Motivations• Previous work• Contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

Page 3: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Overview

• Motivations• Previous work• Contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

Page 4: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Photorealistic Image Synthesis

• Starting from the 3D model of a scene…

© C

. So

ler,

20

07.

Mo

del

by

L. B

ois

sie

ux.

Page 5: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Photorealistic Image Synthesis

…we get a picture of this virtual world

© C

. So

ler,

20

07.

Mo

del

by

L. B

ois

sie

ux.

Page 6: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

Page 7: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

Model from DaimlerChrysler / RealReflect IST project / picture by C. Soler

Page 8: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

© P. Müller

Page 9: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

© Valve, 2006

Page 10: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

© Lucas Digital Ltd., 2002

Page 11: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Motivations

• Why are we doing this?– Many applications:

•Virtual prototyping•Cultural heritage•Video games•Special effects

– Good looking pictures– Multi-disciplinar activity (CS, physics, math)

• Why is it difficult?

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Motivations• Why are we doing this?• Why is it difficult?

– Interactions between light and matter•Complex local effects (reflections)

– Self-dependent– Long distance interactions– Differences of scale/frequency– Time/quality compromise– Blurry effects are costlier– Too many computations?

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Overview

• Motivations• Timeline• Selected contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

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Timeline

Page 15: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Timeline: positions

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Timeline: research themes

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Timeline: projects and contracts

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Overview

• Motivations• Timeline• Selected contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

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Overview

• Motivations• Timeline• Selected contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

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Wavelet Radiosity: credits

• 1993-1996: iMAGIS– Under the supervision of C. Puech, F. Sillion, G.Drettakis

• 1997-2000: ISA/LORIA– Working with J.-C. Paul, L. Alonso, F. Cuny, X. Cavin, C. Winkler, H. Barthélémy, S. Petitjean…

• 2000-2004: iMAGIS/GRAVIR– Working with L. Alonso (at ISA), C. Damez, F. Sillion…

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Wavelet radiosity• Extension of Hierarchical Radiosity

– [Gortler et al., 1993]

• Uses wavelets for basis functions– Haar wavelets (pw. constant) equivalent to HR

• M2, M3 wavelets : linear, quadratic functions

• Higher order wavelets should work better– Better representation for smooth functions

• Experimental study: no, they don’t!– [Wilmott & Heckbert, 1997]

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Wavelet radiosity• Everyone stopped working on WR

– …except us at ISA/LORIA• Point is: it should really work better– So why not?

• Experimental studies• Everyone had used a naïve approach:

– Just changing the basis function– But higher order wavelets are costlier

•n2 for each patch•n4 for each interaction

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Wavelet radiosity

• Naïve implementation doesn’t work• Must change the approach• Adapt the algorithm:

– Meshing strategy– No link storage + shooting – Refinement oracle– Visibility tests

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Why didn’t it work?

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Why didn’t it work?

• Wavelets need quad/triangular patches

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Why didn’t it work?

• Patches are then refined• The initial triangulation binds the algorithm

•And each patch is n2 times costlier

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Extended mesh

• Keep the original mesh• Adapt the radiosity algorithm

[Holzschuch, Cuny, Alonso, EGWR 2000]

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Extended mesh

• Separation between function and geometry

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Link storage and consequences• Biggest issue is memory cost

– n4 for each interaction– Solution: don’t store them!– [Stamminger, Schirmacher, Slusallek & Seidel, EG 1998]

• But think further:– Gathering/shooting– Gathering works better with HR– …except if you don’t store the interactions

• We should use shooting!– …then it makes more sense not to store links!

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Higher-Order Wavelets• Other changes (refinement oracle, visibility)

• This time it works:– Smaller memory costs– Faster computations

[Cuny, Holzschuch, Alonso, EG 2000]

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Memory costs

Observed memory costs for the different wavelet bases(rendering time follows similar curve)

Consistent with [Willmott & Heckbert 1997]!

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Higher order wavelets II

• Efficient global illumination algorithm– Uses higher-order wavelets– Robust, works on real-world scenes– Memory efficient

• So, is everything perfect?– Actually, no.– Shadow boundaries are a big issue

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Shadow boundaries

• Discontinuity: the oracle keeps refining

• Each patch is n2 times more costly– We lose all the ground we gained elsewhere

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Discontinuity meshing• Well-known method:

– Shadow boundary position is known– Cut the mesh according to these discontinuities

– Refine the resulting mesh

• Impossible with wavelet radiosity:– Wavelets only defined over quads/triangles

– …but we already have a workaround!

Page 35: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

DM and Higher-Order Wavelets• [Holzschuch and Alonso, EGSR 2004]• Discontinuities are introduced only if necessary – Use regular subdivision as much as possible

• Modified refinement oracle:– If refinement could have been avoided using DM

– Then Subdivide patch using discontinuity

– Embed the new patches inside quads– Regular subdivision over the new quads

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DM and Higher-Order Wavelets

• M2 wavelets, point light source, no DM

[Holzschuch and Alonso, EGSR 2004]

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DM and Higher-Order Wavelets

• M2 wavelets, point light source, with DM

[Holzschuch and Alonso, EGSR 2004]

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DM and Higher-Order Wavelets

• M3 wavelets, area light source, with DM

[Holzschuch and Alonso, EGSR 2004]

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Wavelet Radiosity: summary• Compact representation of illumination• Applications:

– Cooperation with Nancy School of Architecture– We tested our algorithms on real-world scenes– Great for robustness

• Research:– Real scientific problems came up– We had to solve them, resulting in nice papers

• Transfer: – The software was transferred to a start-up– VSP-Technology, headed by F. Cuny

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Wavelet radiosity: looking back• Shadow boundaries is an interesting issue

• Without DM:– 90 % of computation time for shadows

• With DM:– 90 % of implementation time for shadows

• Only important for (direct lighting+directly visible)

• Indirect lighting can use low quality version

• Waste of time?

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Overview

• Motivations• Timeline• Contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

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Frequency Analysis: credits

• Joint research work with MIT/CSAIL

• At MIT/CSAIL: F. Durand, E. Chan• At ARTIS/GRAVIR: C. Soler, F. Sillion

• Financed by an INRIA “Équipe Associée”

• [Durand, Holzschuch, Soler, Chan, Sillion, SIGGRAPH 2005]

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Illumination effects

• Blurry reflections:

From [Ramamoorthi and Hanrahan 2001]

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Illumination effects

• Shadow boundaries:

© U. Assarsson 2005.

Point light source Area light source

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Illumination effects

• Indirect lighting is usually blurry:

Complete lighting© C. Soler 2005.

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Illumination effects

• Indirect lighting is usually blurry:

Indirect lighting onlyDirect lighting only© C. Soler 2005.

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Frequency aspects of light transport

• Blurriness = frequency content– Sharp variations: high frequency– Smooth variations: low frequency

• All effects are expressed as frequency content:– Diffuse shading: low frequency– Shadows: introduce high frequencies– Indirect lighting: tends to be low frequency

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Problem statement

• How does light interaction in a scene explain the frequency content?

• Theoretical framework:– Understand the frequency spectrum of the radiance function

– From equations of light transport

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Unified framework:

• Spatial frequency (e.g. shadows, textures)

• Angular frequency (e.g. blurry highlight)

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Disclaimer: not Fourier optics

• We do not consider wave optics, interference, diffraction

• Only geometrical optics

Fro

m [

Hec

ht]

Page 51: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Disclaimer: not Fourier optics

• We do not consider wave optics, interference, diffraction

• Only geometrical optics

Fro

m [

Hec

ht]

Page 52: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Page 53: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Page 54: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Transport

Page 55: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Signal 1

Transport

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Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Transport

Occlusion

Signal 2

Page 57: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Transport

Occlusion

Signal 3

Transport

Page 58: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Our approach

• Light sources are input signal • Interactions are filters/transforms– Transport – Visibility– BRDF– Etc.

Light source signal

Transport

Occlusion

Signal 4

Transport

BRDF

Page 59: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field

• 4D light field, around a central ray

Central ray

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Local light field

• 4D light field, around a central ray

• We study its spectrum during transport

Page 61: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field

• 4D light field, around a central ray

• We study its spectrum during transport

Page 62: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field

• 4D light field, around a central ray

• We study its spectrum during transport

Page 63: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field

• We give explanations in 2D – Local light field is therefore 2D

• See SIGGRAPH paper for extension to 3D

Page 64: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field parameterization• Space and angle

space

angle

Central ray

Page 65: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field representation• Density plot:

Area light source

Space

Ang

le

Page 66: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light fieldFourier spectrum• We are interested in the Fourier spectrum of the local light field

• Also represented as a density plot

Page 67: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Local light field Fourier spectrum

Spatial frequency

Ang

ular

freq

uenc

ySpectrum of an area light source:

Page 68: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Basics of Fourier analysis

• Spectrum corresponds to blurriness:– Sharpest feature has size 1/Fmax

• Convolution theorem:– Multiplication convolution

• Classical spectra: – Box sinc– Dirac constant

Page 69: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Example scene

Blockers

Light source

Receiver

Page 70: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Transport in free space

Shear

Space Space

Ang

le

Ang

le

Page 71: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Transport in free space

Shear

Space Space

Ang

le

Ang

leShear

Spatial frequency

Ang

ular

freq

.

Spatial frequency

Ang

ular

freq

.

Page 72: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.
Page 73: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Occlusion: multiplication

• Occlusion is a multiplication in ray space– Convolution in Fourier space

• Creates new spatial frequency content– Related to the spectrum of the blockers

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Page 75: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.
Page 76: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

BRDF integration• Outgoing light:

– Integration of incoming light times BRDF

Outgoing lightIncoming light

BRDF

Page 77: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

BRDF integration

• Ray-space: convolution– Outgoing light: convolution of incoming light and BRDF

– For rotationally-invariant BRDFs

• Fourier domain: multiplication – Outgoing spectrum: multiplication of incoming spectrum and BRDF spectrum

Page 78: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

BRDF in Fourier: multiplication

=

• BRDF is bandwidth-limiting in angle

Page 79: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Example: diffuse BRDF

• Convolve by constant: – multiply by Dirac– Only spatial frequencies remain

=

Page 80: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Transforms: summaryRadiance/Fourier Effect

Transport Shear

Occlusion Multiplication/Convolution

Adds spatial frequencies

BRDF Convolution/Multiplication

Removes angular frequencies

Curvature Shear

Page 81: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Case study: diffuse soft shadows• Decreasing blockers size:

– First high-frequencies increase– Then only low frequency– Non-monotonic behavior

Page 82: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Diffuse soft shadows (2)

• Occlusion : convolution in Fourier – creates high frequencies– Blockers scaled down spectrum scaled up

Fourier space

v

(ang

le)

x (space)

Fourier space

v

(ang

le)

x (space)

blocker spectrum

Page 83: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Diffuse soft shadows (3)• Transport after occlusion:

– Spatial frequencies moved to angular dimension

• Diffuse reflector: – Angular frequencies are cancelled

Page 84: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Diffuse soft shadows (3)• Transport after occlusion:

– Spatial frequencies moved to angular dimension

• Diffuse reflector: – Angular frequencies are cancelled

Page 85: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Frequency Analysis: summary• Framework for frequency analysis of light transport

• Gives high frequencies locations

• Occlusion creates high frequencies• Transport + reflection removes HFs• High frequencies mostly if:

– Small transport (quasi-contact)– Specular reflection (or highly glossy)

– Point light source

Page 86: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Overview

• Motivations• Timeline• Contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

Page 87: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

GPU-based algorithms: credits• Specular reflections: D. Roger

• Real-time soft shadows: L. Atty, M. Lapierre, C. Hansen, J.-M. Hasenfratz, F. Sillion

• Contact shadows: M. Malmer, F. Malmer, U. Assarsson

• Global Illumination: J. Kontkannen, E. Turquin, F. Sillion

Page 88: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

GPU-based algorithms• GPUs are highly powerful machines

– Widely available– Used in the industry

•Video games, cinema

• But they also have their limitations– Memory accesses, per-pixel computations…

• They work better on local effects– Direct lighting, shadow boundaries…

• 2003: AS CNRS “Real-Time Rendering”

Page 89: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Looking back…• Radiosity:

– Lots of work for direct lighting+directly visible

• High frequency effects in illumination: – Small transport– Shadow boundaries– Specular reflections– …mostly local or “semi-local” effects

•Involve a small subset of the scene for each pixel

Page 90: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Think globally• Our hard points:

– Direct lighting+directly visible– Local or semi-local effects

• … all correspond to the forte of GPUs

• Main idea: – use GPUs for HF effects+directly visible

– Something else (CPU) for low frequency effects

Page 91: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

GPU-based algorithms

• Using GPUs for local/semi-local effects:– Specular reflections– Shadows (soft and hard)– Contact shadows

• Global illumination in static scenes:– GPU for direct lighting, CPU for indirect

Page 92: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Specular reflections

• Vertex based reflections• For each vertex in the scene

– Compute its reflected position– Find light paths of extremal length– Using gradient descent

[Roger and Holzschuch, EG 2006]

Page 93: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Specular reflections

Our method Env. mapping Reference

[Roger and Holzschuch, EG 2006]

Page 94: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Real-time soft shadows

• Shadows: important issue for realism

• Real-time hard shadows: easy with GPU

• Soft shadows: still an open problem

• EG 2003: State-of-the-Art Report– Hasenfratz, Lapierre, Holzschuch, Sillion

Page 95: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Soft Shadow Maps• Discretize occluders using shadow map

• Compute soft shadow for each surfel– Easy because surfel axis-aligned with LS

• Add the contributions of each surfel

[Atty, Holzschuch, Lapierre, Hasenfratz, Hansen, Sillion, CGF 2006]

Page 96: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Contact shadows

• Shadows cast on nearby objects:

[Malmer, Malmer, Assarsson, Holzschuch, JGT 2007]

Page 97: Simulation Photoréaliste de l'Éclairage en Synthèse d'Images Nicolas Holzschuch Habilitation à Diriger des Recherches Université Joseph Fourier Grenoble.

Contact shadows• Equivalent to ambient occlusion

– Important for realism– Low-cost effect, but with high impact

• Low frequency effect• Several techniques for storing AO field– Moving with the object– Casting shadows on close objects– Indexed by direction: k*n2 storage– Post-processing to extract AO values

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Contact shadows

• Our solution:

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Contact shadows

• Store raw AO values, un-processed• 3D grid: n3 storage• No post-processing required

• Why is it interesting?– Low frequency effect: small values of n

– Raw values stored: no constant– Similar memory costs, faster rendering

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Global Illumination in static scenes• Direct lighting using GPU• Indirect lighting:

– Wavelet representation– precomputed Global Transport Operator

[Kontkanen, Turquin, Holzschuch, Sillion, EGSR 2006]

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Global Illumination in static scenes• Wavelet basis for radiance• Local Transport Operator

– expressing a single light bounce– precomputed

• Global Transport Operator– Built from LTO, using Neumann series

• For each frame:– Compute direct lighting, projected on WT basis

– Apply GTO to direct lighting– Result is indirect lighting

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Global Illumination in static scenes

Direct Indirect

Global

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GPU-based algorithms: summary• GPU techniques for local/semi-local effects:– Specular reflections– Soft shadows– Contact shadows

• Interactive global illumination– GPU for direct lighting, CPU for indirect

– Limited to static scenes

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Overview

• Motivations• Previous work• Contributions :

– Wavelet Radiosity – Frequency Analysis– GPU-based algorithms

• Conclusion & future work

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Conclusion & future work

• Photorealistic Image Synthesis• Contributions:

– Wavelet radiosity– Frequency analysis– GPU-based algorithms

• Several applications and contracts:– VSP-Tech, SIMULGEN, Eden Games…

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Future work: Real Time Global Illumination• Frequency analysis in real-time

– Used to guide computations

• GPU for local and semi-local HF effects– Direct lighting, shadows– Specular/glossy reflections– Occlusion and reflection fields

• CPU for other effects– Indirect lighting– Low Frequency effects

• Lots of applications and contacts:– Video games (GENAC II)– Movies

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Future work:Image-Based Rendering• We want more realistic pictures• Requires more realistic models

– Hard to create from scratch– Image-Based Modeling for acquisition

• Opens several new directions of research:– Easy model acquisition– Real-time rendering of the model– Re-lighting of the model

• Need for cooperation:– 2 ANR projects submitted this year

• Lots of potential applications

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Thank you!

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Acknowledgements• Everyone I worked with• In addition to those already mentioned:

– iMAGIS, 1993-1996: A. Lamouret, F. Faure, JC Lombardo, JD Gascuel, N. Tsingos, M. Desbrun, S. Rivière, R. Orti, JC Vedel, A. Verroust, MP Cani, A. Opalach,…

– UCT, 1996-1997:E. Blake, S. Nirenstein, D. Cook, A. Secchia,…

– ISA, 1997-2000: S. Lazard, S. Merzouk, K. Tombre, H. Everett, MO Berger, A. Tabbone…

– iMAGIS, 2000-2003: J. Thollot, X. Decoret, J. Turbet, F. Neyret, L. Reveret, G. Debunne, S. Grabli…

– ARTIS, 2004-2007: A. Martinet, L. Boissieux, V. Ostromoukhov, E. Eisemann, P. Barla, L. Baboud, H. Bezerra, A. Bousseau, A. Orzan, T. Stein, K. Smith, F. Moulin, D. Vanderhaeghe…