Realistický rendering

Realistický rendering 2010-2017 Josef Pelikán, CGG MFF UK http://cgg.mff.cuni.cz/ http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca/ Festival fantazie, Chotěboř, 4. 7. 2017 1 / 47

Obsah přednášky co je realistický rendering? příklady použití Ray-tracing (historie) trocha teorie radiometrie (fyzika) optický popis materiálu Monte-Carlo výpočty šíření světla (současnost) 2 / 47

3 / 47

4 / 47

Reklama Bertrand Benoit 5 / 47

Architektonická visualizace Pavel Stavila RenderingFF 4. 7. 2017 6 / 47

Cíle realistického zobrazování věrně napodobit přírodu virtuální scéna reprezentovaná v počítači přesně simulovat šíření světla ve scéně predictive rendering nebo jen důvěryhodné zobrazení laický pozorovatel nemá poznat, že je obrázek umělý... rychlost vykreslování off-line rendering (reklama, film /výpočetní farmy/) real-time (min. 25 fps) 7 / 47

Dnešní přednáška věrně napodobit přírodu virtuální scéna reprezentovaná v počítači přesně simulovat šíření světla ve scéně predictive rendering nebo jen důvěryhodné zobrazení laický pozorovatel nemá poznat, že je obrázek umělý... rychlost vykreslování off-line rendering (reklama, film /výpočetní farmy/) real-time (min. 25 fps) 8 / 47

Dnes ne! grafika v počítačových hrách grafické karty (GPU) modelování 3D scény (3DS MAX, Blender, ) animace simulace fyzikálních jevů vlny na vodě, výbuchy, obloha, mraky,... analýza obrazu a počítačové vidění ani použití neurosítí nebo obecného AI v renderingu 9 / 47

Aplikace design, architektura, umění šíření světla v interiéru, kokpitu,... zábavní průmysl filmy (IL&M, Pixar, DreamWorks, off-line ) videohry ( real-time ) média televize (virtuální studia,...) reklamy 10 / 47

Historie klasické vykreslování Straßer, Catmull 1974: Z-buffer ploškový model nejčastěji trojúhelníkové sítě výpočet viditelnosti Z-buffer přibližné světelné poměry Arkhivrag, Unity forum lokální osvětlovací model, vržené stíny dnes na GPU: textury, shadery 11 / 47

Historie Ray-tracing Whitted 1980: základní Ray-tracing geometrický přístup sleduje se jenom ideálně odražený paprsek výpočetně velmi náročný výpočet průsečíku paprsku se scénou 90% času urychlovací metody snadné vylepšení vzhledu textury, anti-aliasing, shadery distribuovaný RT (Monte-Carlo) 12 / 47

Ray-tracing princip zdroj světla n pozorovatel kamera l r rekurze A P0+t p1 Tt 13 / 47

Ray-tracing - příklady 14 / 47

Ray-tracing - příklady 15 / 47

Ray-tracing - příklady 16 / 47

Ray-tracing - příklady 17 / 47

Historie Distributed RT Cook 1984: Distributed Ray Tracing vylepšení kvality výsledku integrál nahrazuje původně jediný vzorek měkké stíny, odrazy, lomy, difrakce rozmazání pohybem hloubka ostrosti kamery výpočetně náročnější metody Monte-Carlo algoritmy stonásobně víc paprsků... 18 / 47

Základy radiometrie I Zářivý tok, výkon (Radiant flux, Radiant power) dq Φ= dt [W] Počet fotonů (přepočtených na energii) za jednotku času (100W žárovka cca 1019 fotonů/s, oko z monitoru 1012 f/s). dt 19 / 47

Základy radiometrie II Hustota zářivého toku (Irradiance, Radiant exitance, Radiosity) d Φ( x) E ( x) = d A( x) [ W/m2 ] Plošná hustota fotonů (přepočtených na energii) dopadajících nebo vyzařovaných za jednotku času. da dt da 20 / 47

Základy radiometrie III Zář (Radiance) 2 d Φ( x, ω) L( x, ω) = d Aω ( x) d σ (ω) [ W/m2/sr ] Počet fotonů (přepočtených na energii) procházejích za jednotku času malou ploškou kolmou na směr w. Záření míří do malého kužele kolem daného směru w. Zář je veličina definovaná jako hustota vzhledem k da a současně vzhledem k prostorovému úhlu ds(w). 21 / 47

Radiance I Φ( x, ω) d σ (ω) senzor objektiv d σ (ω) x ω pixel 22 / 47

Radiance II ω Φ( x, ω) d A ( x) ω da senzor objektiv x ω n pixel ω da θ ω d A = d A cos θ 23 / 47

BSDF (lokální přenosová funkce) ( Bidirectional Scattering Distribution Function ) n Lo( o) o i Li( i) dswi d Lo (ωo ) d Lo (ωo ) f s (ωi ω o ) = = d E (ωi ) Li (ωi ) cos θi d σ (ωi ) 24 / 47

Klasické složky odrazu světla n Li( i) n Ls,s( o) i Ls,d( o) Difusní ( diffuse ) Li( i) i Lesklý ( specular ) f s (ωi ω o ) = f s, d (ωi ωo ) + f s, s (ωi ωo ) 25 / 47

Příklady BSDF I 26 / 47

Příklady BSDF II 27 / 47

Příklady BSDF III latexový nátěr stříkaný latexový (matnější) lak 28 / 47

Příklady BSDF III latexový nátěr 35 0 (kolmo) 75 55 75 (zmenšeno) 29 / 47

Příklady BSDF IV vrstvy 30 / 47

Lokální zobrazovací rovnice n Lo(x, o) Ls(x, o) Li(x, i) paprsek dswi xi Le(x, o) x vakuum: Li(x, ) = Lo(xM(x,w),- ) = Lo(y,- ) vlastní vyzařování x L o ( x, ωo ) = Le ( x, ωo) + + L o ( y, ωi ) f s ( x, ωi ωo ) d σ (ωi ) x 31 / 47

Monte-Carlo výpočet světla Monte-Carlo kvadratura: integrály zobrazovacích rovnic jsou mnoho-rozměrné anti-aliasing, hloubka ostrosti, rozmazání pohybem Monte-Carlo metody nejsou citlivé na vyšší dimenze integrandy mají mnoho nespojitostí různých druhů obyčejně se nepožaduje velká přesnost lidské vidění má velmi omezenou absolutní citlivost běžně postačí relativní přesnost ½ 1 % 32 / 47

Příklady M-C zobrazování 33 / 47

Příklady M-C zobrazování 34 / 47

Path-tracing princip x1 zdroj světla Náhodná procházka od kamery ke světlům x3 2. náhoda (směr odrazu) x0 3. náhoda (pokračovat?) 1. náhoda x2 (pixel)... nic 35 / 47

Path-tracing postup výpočtu Náhodná procházka od kamery ke světlům x1 zdroj světla x3 1 2 n0 0 x0 x2 36 / 47

Path-tracing cesta fotonu x1 zdroj světla 1 x3 3 2 2 1 n0 0 x0 0 x2 37 / 47

Light-tracing příklad 38 / 47

Photon-tracing příklad (kaustika) 39 / 47

Bidirectional PT příklady 40 / 47

Škvíra ve dveřích (Metropolis) Veach door 41 / 47

Problematická situace (Metropolis) S L Jen málo pravděpodobné cesty světla mohou přispět k výslednému obrázku... D S E 42 / 47

Ruská ruleta & splitting Adjoint-Driven Russian Roulette and Splitting in Light Transport Simulation Jiří Vorba, Jaroslav Křivánek, SIGGRAPH 2016 43 / 47

http://cgg.mff.cuni.cz/~jirka/papers/2016/adrrs/ Jiří Vorba, Jaroslav Křivánek: Adjoint-Driven Russianhttp://cgg.mff.cuni.cz/~pepca Roulette and Splitting (SIGGRAPH 2016) RenderingFF 4. 7. 2017 Josef Pelikán, 44 / 47

Děkuji Kontakty: Jaroslav Křivánek Josef Pelikán Alexander Wilkie http://cgg.mff.cuni.cz/ 45 / 47

Literatura - knihy Andrew Glassner: Principles of Digital Image Synthesis, Morgan Kaufmann, 1995 Henrik Wann Jensen: Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping, A K Peters, 2001 Matt Pharr, Greg Humphreys: Physically Based Rendering, 2nd Edition: From Theory To Implementation, Morgan Kaufmann, 2010 Philip Dutre, Kavita Bala, Philippe Baekert: Advanced Global Illumination, A K Peters, 2006 46 / 47

Literatura Eric Veach: Robust Monte Carlo Methods for Light Transport Simulation, PhD Thesis, 1997 Henrik Wann Jensen et al.: A Practical Guide to Global Illumination using Photon Mapping, SIGGRAPH 2002 Course Jiří Vorba, Jaroslav Křivánek: Adjoint-Driven Russian Roulette and Splitting, SIGGRAPH 2016 47 / 47