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Doctor's Theses (authored and supervised):

C. Ulbricht:
"Usability of Digital Cameras for Verifying Physically Based Rendering Systems";
Supervisor, Reviewer: W. Purgathofer, A Wilkie; Institut für Computergraphik und Algorithmen, TU Wien, 2007; oral examination: 2007-01-16.



English abstract:
Within computer graphics, the field of physically based rendering is
concerned with those methods of image synthesis which yield results that
do not only look real, but are also radiometrically correct renditions of
nature, i.e. which are accurate predictions of what a real scene would look
like under given lighting conditions.
In order to guarantee the correctness of the results, three stages of such a
rendering system have to be verified with particular care: the light reflection
models, the light transport simulation, and the perceptually based calculations
used at display time.
In this thesis, the focus lies on the second step in this chain. Various
approaches for verifying the implementation of a physically based rendering
system have been proposed so far. However, the problem of proving that the
results are correct is not fully solved yet, and no standardized methodology
is available.
Using a photograph for verifying the results of a rendering system seems
obvious but an image produced by a common digital camera cannot be used
for this purpose directly. The sensor of a digital camera usually sees colors
differently than a human observer. Several techniques have been developed
to compensate for this problem. Our goal was to find and compare as many
meaningful ways of using a digital camera for verifying a physically based
rendering system as possible, in order to provide a practicable method for
any development environment. Some of the analyzed methods were taken
from the field of color management. Another method, that is based on a
novel approach, was developed throughout this thesis. We did an exhaustive
comparison of the usability and practicability of all the methods, focusing
on required equipment and cost. We found that in general more elaborate
methods give better results than low-end methods.
As some of the methods are based on XYZ color space, we considered
using this space as internal color space of our rendering system, rather than
doing full spectral rendering. However, we found a severe problem in using
XYZ space to determine the result of interactions of light and matter, as
XYZ space is not closed to component-wise multiplication of XYZ triplets.
Thus, based on this analysis we recommend full spectral rendering.
This thesis also contains a comprehensive overview of related work in
the field of verification of physically based rendering systems.

German abstract:
Physically Based Rendering, ein Teilgebiet der Computergraphik, besch
¨aftigt sich mit jenen Methoden der Bildsynthese, deren Ziel es ist, Bilder
zu berechnen, die nicht nur real aussehen, sondern auch eine radiometrisch
korrekte Wiedergabe der Natur darstellen. Bilder dieser Art entsprechen einer
exakten Vorhersage ¨uber das Aussehen einer Szene unter definierten
Lichtverh¨altnissen.
Folgende drei Stufen des Renderingverfahrens m¨ussen verifiziert werden,
um die Korrektheit des Ergebnisses garantieren zu k¨onnen: die Oberfl
¨achenmodelle, die Simulation der Lichtausbreitung in der Szene und die
Darstellung am Bildschirm, deren Konzepte der Wahrnehmungsf¨ahigkeit
des Menschen nachempfunden sind.
Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der zweiten der drei Stufen. In
den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Ans¨atze pr¨asentiert, die
sich mit der Verifikation der Implementierung eines physikalisch basierten
Renderingsystems befassen. Die Problemstellung ist allerdings noch nicht
v¨ollig gel¨ost. Es ist auch noch keine standardisierte Methode vorhanden.
Es erscheint naheliegend, zur Verifikation eines Renderingsystems ein
Photo einer Szene heranzuziehen. Ein Photo einer handels¨ublichen Digitalkamera
kann allerdings nicht direkt zu diesem Zweck verwendet werden, da
die Sensoren einer solchen Kamera Farben im allgemeinen anders wahrnehmen
als ein Mensch. Es wurden veschiedenste Strategien entwickelt, um diese
Abweichung zu kompensieren. Ziel dieser Dissertation ist es, m¨oglichst
viele aussagekr¨aftige Methoden, die es erlauben, eine handels¨ubliche Digitalkamera
zur Verifikation eines physikalisch basierten Renderingsystems
zu benutzen, zu finden und zu vergleichen. Der Schwerpunkt wurde dabei
auf die praktische Anwendbarkeit in unterschiedlichen Entwicklungsumgebungen
gelegt. Einige der besprochenen Methoden stammen aus dem Gebiet
des Color Management. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine weitere
Methode entwickelt, die auf einem neuartigen Ansatz basiert. Die praktische
Anwendbarkeit all dieser Methoden wurde verglichen, wobei besonderes
Augenmerk auf ben¨otigte Ger¨ate und anfallende Kosten gelegt wurde. Es
hat sich herausgestellt, daß die aufwendigeren Verfahren bessere Ergebnisse
liefern als einfachere Methoden.
Da einige dieser Methoden auf der Verwendung des XYZ Farbraums
basieren, liegt es nahe, diesen als internen Farbraum des Renderers zu verwenden,
anstatt auf das aufwendigere Spektralrendering zur¨uckzugreifen.
Im Zuge dieser Dissertation sind wir jedoch auf ein Problem bei der Berechnung
der Interaktion von Licht mit einer Oberfl¨ache gestoßen. Der XYZ
Farbraum ist bez¨uglich der komponentenweisen Multiplikation nicht abgeschlossen,
es kann daher zu ung¨ultigen Werten kommen. Wir empfehlen
deshalb die Verwendung von Spektren f¨ur die internen Berechnungen eines
Renderingsystems.
Diese Dissertation beinhaltet außerdem einen ausfu¨hrlichen U¨ berblick
¨uber den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Verifikation von physikalisch
basierten Renderingsystemen.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.