Efficient texture representation and sampling algorithms for real-time rendering

Abstract

In computer graphics, the goal of photorealistic rendering algorithms is to create convincing images given the description of a scene. However, photorealistic image generation is still an elusive goal for real-time rendering, where the final image should be synthesized in a small fraction of a second. In order to meet this performance requirement, images rendered in real-time often suffer from reduced quality, frequently manifested as low-detailed surfaces, aliasing artifacts and non-realistic illumination.The goal of this thesis is to improve the quality of real-time rendering through more efficient data representation and sampling algorithms. First, we present more compact representations for textures and frame buffers, reducing the consumed memory bandwidth and allowing more efficient use of the available memory space. Furthermore, we present and investigate a method that improves the surface detail under extreme conditions, such as grazing viewing angles, highly warped texture coordinates, or extreme perspective, using high-quality elliptical texture filtering on the GPU. Finally, we propose the use of a volume-based representation of the scene in order to simulate the diffuse light transport in real-time for completely dynamic scenes. To this end, we present efficient algorithms for the creation and sampling of this volume representation, which is stored as a volume texture on the graphics memory.

Στα γραφικά με υπολογιστές, ο στόχος των αλγορίθμων φωτορεαλιστικής απόδοσης είναι να δημιουργήσουν πειστικές εικόνες, δεδομένης της περιγραφής μιας σκηνής. Ωστόσο, η σύνθεση ρεαλιστικών εικόνων εξακολουθεί να είναι ένας άπιαστος στόχος στα γραφικά πραγματικού χρόνου, όπου οι τελικές εικόνες θα πρέπει να δημιουργηθούν μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Λόγω αυτής της πολύ αυστηρής απαίτησης, οι εικόνες που δημιουργούνται σε πραγματικό χρόνο συνήθως χαρακτηρίζονται από διάφορες ατέλειες, όπως θολές επιφάνειες με χαμηλή ευκρίνεια, διάφορα ψεγάδια που οφείλονται σε φαινόμενα ταύτισης στο πεδίο του χώρου και του χρόνου, καθώς και μη ρεαλιστικό φωτισμό.Ο στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η βελτίωση της ποιότητας των γραφικών σε πραγματικό χρόνο, μέσω νέων αλγορίθμων αποτελεσματικότερης αναπαράστασης και δειγματοληψίας υφών. Αρχικά παρουσιάζουμε δυο νέες μεθόδους για την συμπίεση των υφών και του καταχωρητή εικόνας, οι οποίες μειώνουν τον απαιτούμενο χώρο αποθήκευσης στην μνήμη γραφικών. Έπειτα, παρουσιάζουμε μια μέθοδο που βελτιώνει την ευκρίνεια της υφής των επιφανειών, όταν αυτές παρατηρούνται από υψηλές γωνίες θέασης ή όταν γίνεται χρήση συντεταγμένων υφής που είναι στρεβλωμένες με ακραίο τρόπο. Η συγκεκριμένη μέθοδος που παρουσιάζουμε βασίζεται σε αλγόριθμους υψηλής πιστότητας ελλειπτικής δειγματοληψίας και αναπτύχθηκε για να εκτελείται στις ειδικές μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Τέλος, προτείνουμε την χρήση μιας ογκομετρικής αναπαράστασης της σκηνής, η οποία αποθηκεύεται στην μνήμη ως μια τρισδιάστατη υφή, για τον υπολογισμό του ολικού φωτισμού σε δυναμικές σκηνές. Για τον σκοπό αυτό παρουσιάζουμε αποδοτικούς αλγορίθμους για την δημιουργία αυτής της αναπαράστασης και την δειγματοληψία της.