Visualisation Interactive de Mod`eles Complexes avec - alice - Loria

246 Pages·2007·41.31 MB·French

D´epartement de formation doctorale en informatique E´cole doctorale IAEM Lorraine
UFR STMIA
Visualisation Interactive de Mod`eles
Complexes avec les Cartes Graphiques
Programmables
`
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 12 octobre 2007
pour l’obtention du
Doctorat de l’universit´e Henri Poincar´e – Nancy 1
(sp´ecialit´e informatique)
par
Rodrigo Toledo
Composition du jury
Pr´esident : Jean-Paul Haton
Rapporteurs : Luiz Velho
Jean-Michel Dischler
Examinateurs : Jean-Claude Paul (Directeur)
Bruno Levy (Codirecteur)
Xavier D´ecoret
Luciano Reis (Membre Industriel)
Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications — UMR 7503
Mis en page avec la classe thloria.
i
Remerciements
Mes toutes premiŁres pensØes sont pour ma femme Danielle qui a du se dØraciner a(cid:28)n de
me suivre pour ce pØriple de plusieurs annØes dans un pays Øtranger ainsi que pour ma
famille.
Je remercie mes directeurs de thŁse, Jean Claude Paul et Bruno Levy, pour leur
invitation (cid:224) venir travailler en France dans leur groupe de recherche.
Un grand merci en particulier aux personnes de l’Øquipe ISA qui m’ont grandement
aidØ (cid:224) rØaliser cette thŁse : Fabien Boutantin, CØdric Lamathe, David Ledez, Ben Li,
Bruno Vallet et Isabelle Herlish. J’adresse aussi mes remerciements (cid:224) Bin Wang pour
sa collaboration sur la conversion des Geometry Textures. Sans oublier Hazel Everett et
Sylvain Petitjean pour leur conseils avisØs sur la rØdaction.
Mes autres collŁgues du LORIA sont aussi dans mes pensØes : Yves Rangoni, Joseph
Razik, Pavel Kral, Augusto, Judson et les autres personnes de leur bureau, ainsi que
Sergio Bezerra de l’Institut (cid:201)lie Cartan.
Je souhaite vivement remercier les personnes de Tecgraf (cid:224) PUC : l’Øquipe d’informa-
ticiens : Alberto, Paulo, Mauricio, Gustavo et AurØlio ; l’Øquipe de designers ; Carolina
Alfaro pour les corrections du texte en anglais.
JesouhaiteaussiremercierdansledØsordre: mesanciensdirecteursdemaster: Luiz
VelhoetMarceloGattass;lespersonnesdePETROBRAS:LucianoReis,IsmaelSantos,
Enio Russo, Mathieu Moriss, Anelise Lara et Alvaro Maia.
Mesremerciementsvontbienentendu(cid:224)touteslespersonnes,collŁgues,amisetfamille
(en particulier ma mŁre Isabel), qui m’ont permis d’achever ce travail, m’entourant de
leurs conseils et de leur soutien en toutes situations.
En(cid:28)n, je remercie les institutions suivantes qui ont permis (cid:224) cette thŁse de voir le
jour: Tecgraf, PETROBRAS, CAPES, UHP et LORIA.
ii
iii
Je dØdie cette thŁse (cid:224) ma femme Danielle
et (cid:224) ma (cid:28)lle Caroline.
iv
Sommaire
1 Visualisation Interactive de ModŁles Complexes 1
1.1 Le challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Images informatiques et Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 ReprØsentation d’objets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Visualisation et rendu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Nos Contributions: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Combinaison de Rasterization et lancer de rayons . . . . . . . 7
1.3.2 Le lancer de rayons par GPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 ImplØmentations dans le GPU des primitives implicites . . . . 8
1.3.4 IngØnierie inversØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.5 ImplØmentation des cartes de hauteur dans le GPU . . . . . . 8
1.3.6 ‘Geometry Textures’ et algorithme de conversion . . . . . . . 8
1.3.7 Etudedel’Øtatdel’artenvisualisationbasØauniveaudeØchelle 9
1.4 La ThŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1 Niveau scØnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Niveau Macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 Niveau mØsoscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.4 Niveau Microscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.5 Principes des Primitives GPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.6 Geometry Textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.6.1 Convertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.6.2 Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.6.3 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.7 RØcupØration de Surface Implicite . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.7.1 RØcupØration de Surface (cid:21) MØthode NumØrique . . . 21
1.4.7.2 RØcupØration de Surface (cid:21) MØthode Topologique . . 23
1.4.8 Visualisation de Primitives Implicites . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.9 RØsultats pour la visualisation de sites industriels . . . . . . . 26
1.4.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Introduction 31
2.1 The Challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
v
vi Sommaire
2.2 Computer Graphics and Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Object Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Visualization and Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Our Contributions: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Combining Rasterization and Ray casting . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 GPU Ray-casted Primitives Framework . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 GPU Implementation of Implicit Primitives . . . . . . . . . . 37
2.3.4 Reverse Engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.5 Height-maps GPU Implementation . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.6 Geometry Textures and the Conversion Algorithm . . . . . . . 38
2.3.7 Survey on Visualization based on Scale Level. . . . . . . . . . 38
2.4 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
I State of the Art in Visualization 39
3 Scene-scale 43
3.1 Hidden Surface Removal Algorithms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 List-Priority Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.2 Z-Bu(cid:27)er and Polygon Rasterization . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2.1 Rasterization Acceleration Methods. . . . . . . . . . 45
3.1.3 Ray tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3.1 Ray tracing or ray casting? . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.3.2 Ray-Tracing Acceleration Methods . . . . . . . . . . 47
3.1.3.3 Hardware-Based Ray tracing . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.4 Using both Rasterization and Ray casting . . . . . . . . . . . 49
3.2 Spatial Scene Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Visibility Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Frustum Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Occlusion Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.3 Portal Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.4 Back-Face Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Macroscale 59
4.1 Representing Objects Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.1 Volume and Surface Representations . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.2 Primitive Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Macroscale Geometry Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.1 Ray-tracing/ray-casting the primitives . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2 Primitives Rasterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.3 Macroscale Geometry Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.4 Which one is the best representation? . . . . . . . . . . . . . . 69
vii
4.3 Geometry Simpli(cid:28)cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.1 Discrete LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Progressive meshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.3 View-dependent LOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.4 Nested progressive meshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.5 Geometry Simpli(cid:28)cation Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4 Replacing Geometry by Images - Impostors. . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Replacing Geometry by Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Mesoscale 91
5.1 Color Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Normal Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 Height Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.1 Displacement Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.2 View-dependent Displacement Mapping (cid:21) VDM . . . . . . . . 94
5.3.3 Interactive Mesostructure Ray Casting . . . . . . . . . . . . . 95
5.4 Volumetric Mesostructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5 Representations of the Shading Function . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.6 Mesoscale Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Microscale 103
6.1 Bidirectional Re(cid:29)ection Distribution Function . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 BSSRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3 Photon Mapping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4 PRT function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
II Natural models 109
7 Geometry Textures 113
7.1 GPU primitive principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1.1 Hybrid HSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.1.2 Vertex shader tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1.3 Pixel shader responsibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1.4 Ray-Casting Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.1.5 Computing the z-value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.1.6 General conclusion about GPU primitives . . . . . . . . . . . 119
7.2 GPU Height-map primitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.1 De(cid:28)nition and Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.2 Parallel Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.2.3 GPU height map in di(cid:27)erent RCAs . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.3.1 GPU height map in RCA . . . . . . . . . . 123
rectangle
7.2.3.2 GPU height map in RCA . . . . . . . . . 123
polyhedron
viii Sommaire
7.2.3.3 GPU height map on surfaces with curvature . . . . . 124
7.2.3.4 Geometric solution for surfaces with curvature. . . . 125
7.3 The Geometry Textures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.3.1 Previous work in multiple height maps . . . . . . . . . . . . . 129
8 Rendering Natural Models with Geometry Textures 131
8.1 Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1.1 Partitioning with PGP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.1.2 Partitioning with VSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.1.3 Comparing PGP and VSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.2 Rendering and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.2.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.2.2 Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.2.3 Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
III Manufactured Objects and Infrastructures 139
9 Structure Recovery 145
9.1 An Overview of Implicit Surface Recovery . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.2 Industrial-Plant Database Special Characteristics . . . . . . . . . . . 146
9.3 Numerical Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.4 Topological Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10 Higher-Order Primitives Visualization 163
10.1 Generic Quadrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.2 Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.3 Ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.4 Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4.1 Orthographic Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.4.2 Perspective Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.4.3 Thickness Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.5 Truncated and Complete Cones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.6 Cubic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.7 Torus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
10.7.1 Sturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.7.2 Double Derivative Bisection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.7.3 Sphere Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.7.4 Newton-Raphson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
10.7.5 Normal Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.7.6 GPU Torus Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.8 Torus Slice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189