Zobrazování a osvětlování

Podobné dokumenty
Fotonové mapy. Leonid Buneev

Photon-Mapping Josef Pelikán CGG MFF UK Praha.

Distribuované sledování paprsku

X39RSO/A4M39RSO Vychýlené (biased) metody globálního osvětlení. Vlastimil Havran ČVUT v Praze CTU Prague Verze 2011

Odraz světla, BRDF. Petr Kadleček

Rekurzivní sledování paprsku

Realistický rendering

Počítačová grafika III Úvod

Fotorealistická syntéza obrazu Josef Pelikán, MFF UK Praha

Počítačová grafika III Photon mapping. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika Radiozita

ZOBRAZOVÁNÍ ZRCADLY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Optika

Radiometrie, radiační metody

Fotonové mapy. Martin Bulant 21. března Fotonové mapy jsou podobné obousměrnému sledování cest, ale odlišují se tím,

Osvětlování a stínování

Počítačová grafika III Photon mapping. Jaroslav Křivánek, MFF UK

FOTOREALISTICKÉ ZOBRAZOVÁNÍ

Počítačová grafika III Úvod

Počítačová grafika III Důležitost, BPT. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika 2 (POGR2)

Základní raytracing Detaily implementace Distribuovaný raytracing Další globální zobrazovací metody Galerie Literatura. Raytracing

Výpočet vržených stínů

Optika nauka o světle

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Fotorealistická grafika

Reprezentace 3D modelu

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Animace a geoprostor. První etapa: Animace 3. přednáško-cvičení. Jaromír Landa. jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

Počítačová grafika III Multiple Importance Sampling. Jaroslav Křivánek, MFF UK

A4M39RSO. Sledování cest (Path tracing) Vlastimil Havran ČVUT v Praze CTU Prague Verze 2014

Principy fotorealistického zobrazování

Global illumination with many-light methods. Martin Kahoun (2011)

Globální osvětlení v real-time 3D grafice. Bc. Jaroslav Meloun

Obsah A ROVINNÁ GRAFIKA 17

Počítačová grafika III Multiple Importance Sampling. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Optika. Zápisy do sešitu

7. OSVĚTLENÍ. Cíl Po prostudování této kapitoly budete znát. Výklad. 7. Osvětlení

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Watkinsův algoritmus řádkového rozkladu

CGI. Computer generated imagery Počítačové triky Animované filmy Počítačové hry. Technologické trendy v AV tvorbě, CGI 2

Reflections, refractions, interreflections

X39RSO/A4M39RSO. Integrace a syntéza obrazu pomocí metody Monte Carlo. Vlastimil Havran, ČVUT v Praze

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

Pokročilé osvětlovací techniky Josef Pelikán, MFF UK Praha

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Úvod, optické záření. Podkladový materiál k přednáškám A0M38OSE Obrazové senzory ČVUT- FEL, katedra měření, Jan Fischer, 2014

OPTIKA VLASTNOSTI SVĚTLA ODRAZ SVĚTLA OPAKOVÁNÍ - 1

Optika pro mikroskopii materiálů I

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_20_FY_C

Precomputed radiance transfer

Pohyb tělesa, síly a jejich vlastnosti, mechanické vlastnosti kapalin a plynů, světelné jevy

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

Animace a geoprostor. První etapa: Animace 2. přednáško-cvičení. Jaromír Landa. jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

Fyzikálně založené modely osvětlení

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

RAYTRACING. Ondra Karlík (Keymaster)

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Vývoj počítačové grafiky

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

S v ě telné jevy. Optika - nauka - o světle, jeho vlastnostech a účincích - o přístrojích, které jsou založeny na zákonech šíření světla

11 Zobrazování objektů 3D grafiky

Základy 3D modelování a animace v CGI systémech Cinema 4D C4D

Zákon odrazu. Úhel odrazu je roven úhlu dopadu, přičemž odražené paprsky zůstávají v rovině dopadu.

7.ročník Optika Lom světla

Název: Odraz a lom světla

UNIVERZITA PARDUBICE. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Zobrazování 3D scény metodou raytracingu Pavel Lokvenc

8. VIDITELNOST. Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět. Výklad. P i O M. a A. b A. 8. Viditelnost

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Hierarchický model Josef Pelikán CGG MFF UK Praha. 1 / 16

1. Vektorové algoritmy jejich výstupem je soubor geometrických prvků, např.

3. SVĚTELNÉ JEVY. Světelné zdroje. Rychlost světla.

Moderní fotorealistický rendering

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Moderní metody rozpoznávání a zpracování obrazových informací 15

ANIMOVANÝ GRAFICKÝ MODEL

STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST

Jednoduchý elektrický obvod

Světlo a stín. Patrik Szakoš, Jáchym Tuček, Daniel Šůna

Počítačová grafika III Bidirectional path tracing. Jaroslav Křivánek, MFF UK

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Martin Růžička. Návrh a vyhodnocení uživatelského rozhraní pro osvětlování filmových scén

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Pokročilé metody fotorealistického zobrazování

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

PB001: Úvod do informačních technologíı

Aplikovaná optika I: příklady k procvičení celku Geometrická optika. Jana Jurmanová

Fotorealistická syntéza obrazu

B4M39RSO * Úvod do globálního osvětlení * Radiometrie * Světelné zdroje. Vlastimil Havran ČVUT v Praze

AXONOMETRIE - 2. část

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

5.1.2 Odraz světla. Př. 1: Nakresli průchod paprsku soustavou zrcadel na obrázku:

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY SLEDOVÁNÍ PAPRSKU POMOCÍ K-D TREE RAY TRACING USING K-D TREE

Bodový zdroj světla A vytvoří svazek rozbíhajících se paprsků, které necháme projít optickou soustavou.

Transkript:

Zobrazování a osvětlování Petr Felkel Katedra počítačové grafiky a interakce, ČVUT FEL místnost KN:E-413 na Karlově náměstí E-mail: felkel@fel.cvut.cz S použitím materiálů Bohuslava Hudce, Jaroslava Sloupa a úprav Vlastimila Havrana Poslední změna: 6.5.2015

I. Zobrazování a osvětlování 2

I. Zobrazování a osvětlování Základní zobrazovací algoritmy Pořadí zpracování a určování viditelnosti Metody výpočtu osvětlení Globální osvětlovací metody 3

Pořadí zpracování a určování viditelnosti Object order Zpracovávají popořadě objekty Malířův algoritmus (Back to Front = B-F) Z-buffer (libovolné pořadí) Radiozita (vzájemné osvětlení plošek) Pro objemy F-B, B-F Image order Prochází popořadě pixely a zkoumají, co do nich padne (vysílají se paprsky z oka skrz pixely do scény) Sledování paprsku (Ray tracing) Pro objemy vrhání paprsku (Ray casting) 4

Metody výpočtu osvětlení Lokální metody výpočtu osvětlení (dosud) Objekty se vzájemně neosvětlují Jako by každý byl sám ve scéně se všemi světly Jenom se řeší vzájemná poloha kvůli viditelnosti (Zakrývají se vzájemně, ale nezakrývají světla, ani se vzájemně neosvětlují) Malířův algoritmus, Z-buffer.. rychlé Vzájemné osvětlení se simuluje ambientním světlem, Globální osvětlovací metody 5

Globální osvětlovací metody Simulují skutečný svět (fotorealismus) Stíny či polostíny (měkké stíny) Vzájemný difúzní odraz Odraz od tělesa může osvětlit stěnu odvrácenou od světla (např. světlo za nábytkem) Vzájemné zabarvení ploch Kaustiky (prasátka ve vodě) Problém je simulace všech optických jevů v reálném čase 6

(Ostré) stíny Výpočet, zda je část viditelné scény od pozorovatele přímo viditelná i z bodového či směrového zdroje světla Ostrý stín tvoří jasné rozhraní mezi osvětlenou a neosvětlenou částí objektu, v tomto případě: [library.creativecow.net] Úloha spočívá ve výpočtu viditelnosti mezi bodem povrchu a světlem

Měkké stíny Ostrý stín Ostrý stín David Ambrož, http://www.shadowstechniques.com/ 8

Kaustiky a vzájemný difúzní odraz raytracing s typickými ostrými stíny photon mapping s měkkými stíny, difúzními odrazy a kaustikou Jiří Tuháček, diplomová práce, CGG FEL 9

Globální osvětlovací metody Pohledově nezávislé řešení (radiozita, photon mapping) Pohledové závislé řešení (sledování paprsku od pozorovatele či od světel) 10

Pohledově nezávislé řešení radiozita (84) Většina práce nezávisí na poloze kamery 2 kroky: 1.Pohledově nezávislý krok - rozdělení světla ve scéně Rozdělí polygony na malé plošky určí vzájemnou viditelnost plošek matice konfiguračních faktorů řeší radiozitní rovnici 2.Pohledově závislý krok - zobrazení pohledu jen určí viditelnost pro konkrétní polohu kamery 11

Pohledově nezávislé řešení - radiozita [http://www.artoolkit.org/gallery/radiosity/base/cornellscene.jpg] 12

Pohledově nezávislé řešení - radiozita Vychází ze zákona zachování energie Proto energeticky uzavřené scény Scéna musí být z polygonálních plošek (dělí se dále dle potřeby) Nedokáže zpracovat Průhledné objekty Zrcadla Textury 13

Pohledově závislé řešení Metody vycházející od pozorovatele (gathering methods) Postupují proti směru světla (z pixelů ke světlům) Akumulují příspěvky podél dráhy paprsku Zpětné sledování paprsku (Ray tracing) A Sledování cesty (path tracing) BRDF B Metody vycházející od světelných zdrojů (shooting meth.) (Photon tracing = Ray tracing pozadu) Monte Carlo sledování světla (light tracing) C Dvousměrové metody kombinují oba přístupy D 14

A. Zpětné sledování paprsku (Ray tracing) [http://en.wikipedia.org/wiki/image:raytracing_reflection.png] 15

A. Vrhání paprsku (Ray casting - 68) L 1 L 3 B L 2 stínový paprsek A R 0 primární paprsek prostor scény plocha obrazovky Jednoúrovňový ray tracing Stínové paprsky ke světelným zdrojům P vyhodnocovaný pixel Obrázek převzat od prof. Žáry 16

A. Zpětné sledování paprsku (Ray tracing 79) L 1 R 2 L 3 A prostor scény R 4 B L 2 R 3 stínový paprsek A R 0 primární paprsek plocha obrazovky P vyhodnocovaný pixel Akumuluje příspěvky odražených a lomených paprsků a paprsků ke světlům (stínové) Obrázek převzat od prof. Žáry 17

A. Zpětné sledování paprsku (Ray tracing) Algoritmus převzat od prof. Žáry 18

B. Sledování cesty (path tracing) L 1 R 2 L 3 A prostor scény R 4 B L 2 R 3 stínový paprsek A 1000 primárních paprsků plocha obrazovky P vyhodnocovaný pixel Paprsky na difúzním povrchu odraženy do náhodných směrů (jejich příspěvky jsou následně modulovány pomocí 4D funkce BRDF) 19

B. Sledování cesty (path tracing) Monte Carlo sledování cesty (od pozorovatele) Generuje 1000-10 000 paprsků na pixel Každý sleduje podobně jako ray-tracing, ale Volí náhodný úhel odrazu Pro tento náhodný úhel vyhodnotí tzv. funkci BRDF (příspěvek světla modulován BRDF) Zvládne kaustiky, difúzní odraz, měkké stíny Urychlit lze metodou vzorkování podle důležitosti (importance sampling) generuje odražené paprsky nerovnoměrně preferuje úhly s velkou hodnotou BRDF 20

BRDF BRDF je zkratka pro dvousměrovou odrazovou distribuční funkci (Bidirectional reflectance distribution function) Popisuje poměr radiance odražené ve směru ω r k radianci dopadající ze směru ω i, v určitém bodě x Radiance = přijatý či vyzářený výkon na jednotkovém prostorovém úhlu na jednotku kolmo promítnuté plochy n n ω i ω r ω i ω r x Sférické souřadnice, 2 směry, každý 2 úhly => 4 parametry x 21

B. Sledování cesty (path tracing) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/pathtrace3.png 22

C. Monte Carlo sled. světla (light tracing) Sleduje světlo od světelných zdrojů (Shooting method) Určí se výkon odcházejícího paprsku Pak se paprsek rekurzívně sleduje. V místech odrazu se určí množství světla jdoucí k pozorovateli (BRDF) Průsečík paprsku k pozorovateli se zobrazovací rovinou = příspěvek k barvě pixelu Problémy: Mnoho nevyužitých paprsků Velký šum Zrcadlový odraz netrefí oko 23

D. Dvousměrové globální osv. metody Dvousměrové metody (bidirectional methods) Současně paprsky od světel a od pozorovatele a) Dvousměrové sledování cesty (bidirectional path tracing) Najdou se průsečíky se scénou od světel (x i ) a od pozorovatele(y k ) (random walk do určité hloubky sledování stejně se přesně netrefí) Najdou se všechny kombinace x i a y k (každý s každým) Určí se viditelnost a vzájemné příspěvky radiance b) Fotonové mapy (photon mapping) 1. Vystřelí fotony od zdrojů, uloží je do 3D fotonové mapy (fotony od všech světel, každý zná pozici a směr, odkud přiletěl) náhodně se určuje, zda se fotony absorbují, či dále odrazí nebo lomí 2. Pak ray tracing najde průsečík, sesbírá fotony v jeho okolí => tj. příspěvek od všech světel 24

a) Dvousměrové sledování cesty (bidirectional path tracing) Současně light tracing (shooting) a path tracing 25

b) Fotonové mapy (Photon Mapping) Kaustika Odrazy objektů na lesklé podlaze (glossy reflections) Henrik Wann Jensen: http://graphics.stanford.edu/~henrik/papers/ewr7/ewr7.html 26

Fotonové mapy (Photon Mapping) 1. Paprsky od světel rozmístí fotony ve scéně (photon map cache) 2. Sbírání fotonů paprsky od kamery (final gathering) http://www.spot3d.com/vray/help/200r1/images/diagrams/photon_maps.png http://www.cs.berkeley.edu/~sequin/cs184/imgs/photonmap.jpg 27

Fotonové mapy (Photon Mapping) 28