Jaroslav Křivánek

Počítačová grafika III (NPGR010) – zimní semestr 2012/2013

Rozvrh:	Přednáška - Čt 14:00-15:30 S11 | Cvičení - Po 15:40-17:10 SW1 (Malá Strana)
Přednášející:	Jaroslav Křivánek, e-mail: jaroslav.krivanek.at.mff.cuni.cz
Rozsah:	2/2 Z/Zk,  odkaz do SISu

Přednáška volně navazuje na Počítačovou grafiku II (NPGR004) a je určena pro vážné zájemce o počítačovou grafiku. Pokrývá moderní oblasti realistické syntézy obrazu: zobrazovací rovnice, Monte Carlo metody pro simulaci transportu světla (sledování cest, fotonové mapy atd.), zobrazovací metody používané ve filmové produkci (irradiance caching, point-based global illumination). V případě, že na konci semestru zbyde čas, bude zahrnuta přednáška z vybraného tématu z pokročilé počítačové grafiky, jako např. výpočetní fotografie, HDR a mapování tónů, simulace zvuku, inverzní kinematika, skinning, motion capture, dynamika pevných těles a kapalin atp.

• Organizace, požadavky k zápočtu a zkoušce:pdf | pptx.
• Informace o zkoušce: pdf.
• Poznámky z přednášek z r. 2011 (i se zdrojáky): zip.
• Vzor pro psaní poznámek z přednášek: zip. (Použití LaTeXu a tohoto vzoru je závazné.)

Důležité termíny

Program přednášek a materiály ke stažení

Získané body & výběr článků ke zkoušce

Zadání úlohy 1: Výpočet přímého osvětlení

Cílem první úlohy je vybudovat infrastrukturu pro výpočet globálního osvětlení, konkrétně implementovat metody BRDF (vyhodnocení BRDF pro dané směry, vygenerování nahodného směru) a zdrojů světla (výpočet osvětlení pro bod ve scéně atd.). Tyto metody budou otestovány na problému výpočtu přímého osvětlení z bodových a plošných zdrojů světla pomocí a) estimátoru vzorkujícího pozice na zdroji světla a b) estimátoru vzorkujícího náhodné směry (pouze pro plošné zdroje). V případě a) použijte uniformní vzorkování zdroje. V případě b) použijte uniformní vzorkování hemisféry a importance sampling podle BRDF. Ukažte že všechny estimátory konvergují ke stejnému výsledku (stačí pro velmi malý obrázek - v některých případech bude výpočet konvergovat velice pomalu). Ukažte výhody importance samplingu BRDF oproti uniformnímu vzorkování hemisféry. Porovnejte jednotlivé estimátory v následujících scénách:

Izotropní bodový zdroj Difúzní povrchy	Izotropní bodový zdroj Lesklé povrchy	Velký plošný zdroj Difúzní povrchy	Velký plošný zdroj Lesklé povrchy
Malý plošný zdroj Difúzní povrchy	Malý plošný zdroj Lesklé povrchy	Konst. mapa prostředí Difúzní povrchy Nepovinné - body navíc	Konst. mapa prostředí Lesklé povrchy Nepovinné - body navíc

Důležité odkazy:

• HDRImageTools: Program na prohlížení a porovnávání HDR obrázků.
• Referenční obrázky: Cílem je, aby vaše implementace generovala stejný výstup (modulo šum).
• PG3Render.zip: Kostra rendereru. Do třídy PathTracer implementujte svůj renderer. Třídy AreaLight, PointLight a BackgroundLight jsou připravené pro vaši implementaci zdrojů světla. Třída Material je připravena na implementaci BRDF.

Bodování

Opisování nebo odevzdávání cizí práce bez uvedení zdroje je důvodem k neudělení zápočtu. Celkem lze za úlohu ziskat maximálně 20 bodů. Předpokládá se dokonalá znalost odevzdávaného kódu. Následující tabulka shrnuje bodové hodnocení jednotlivých částí úlohy (doporučuji úlohu zpracovávat v tomto pořadí, vždy nejdříve pro difúzní a pak pro lesklou komponentu BRDF):

Bodový zdroj:	5
Plošný zdroj, vzrokování plochy zdroje:	10
Plošný zdroj, uniformní vzorkování směru:	15
Plošný zdroj, BRDF importance sampling:	20
Podpora mapy prostředí s konstantní září (návod):	5 bodů navíc
Podpora HDR map prostředí (návod):	dalších 5 bodů navíc
Podpora jiného BRDF modelu než Phong (např. anizotropní Ward, Ashikmin-Shirley):	5 bodů navíc

Zadání úlohy 2: Path tracer s kombinovaným estimátorem pro výpočet přímého osvětlení

V druhé úloze použijte vybudovanou infrastrukturu pro implementaci nnásledujících metod:

• Kombinovaný estimátor pro výpočet přímého osvětlení (10 bodů). Využijte metodu Multiple Importance Sampling s vyrovnanou heuristikou (balance heuristic) pro výpočet přímého osvětlení. V tomto kombinovaném estimátoru kombinujte estimátory implementované v úloze č. 1 (tj. a) vzorkování pozice na zdroji světla a b) BRDF importance sampling). Jako referenční řešení vám poslouží stejné obrázky jako v úloze 1 (ty byly ve skutečnosti vygenerovány právě pomocí kombinovaného ostimátoru.) Při implementaci této úlohy by se vám mohl hodit návod. (V tomto textu popisuji speciální případ výpočtu osvětlení z mapy prostředí, který nemusíte implementovat. Nicméně řada informací v textu se vztahuje i na plošné zdroje světla.)
• Sledování cest (10 bodů). Implementujte path tracer s výpočtem osvětlení pomocí a) implicitního "sbírání" emitované radiance na vrcholech cesty a b) explicitního vzorkování zdroje (tzv. next event estimation). Pro ukončení rekurze využijte ruskou ruletu s pravděpodobností přežití rovnou odrazivosti (reflektanci) povrchu. Ukažte, že obě metody výpočtu osvětlení konvergují ke stejnému výsledku a porovnejte jejich efektivitu. Začněte metodou, která "sbírá" emitovanou radianci podél vrcholů cesty (velmi jednoduchá implementace) a otestujte ji na scénách s velkým plošným zdrojem. Poté přidejte explicitní vzorkování zdroje. Referenční obrázky jsou dole.
• Použití kombinovaného estimátoru pro výpočet přímého osvětlení v path traceru (5 bodů navíc). Podmínkou pro udělení bodů navíc bude to, aby se ve vaší implementaci sekundární paprsek pro sledování cesty použil zároveň pro výpočet nepřímého osvětlení i jako vzorek v kombinovaném estimátoru pro výpočet přímého osvětlení (jinak by to bylo moc jednoduché). Po implementaci této úlohy máte hotové renderovací jádro state-of-the-art rendererů jako Arnold, Maxwell nebo Corona.

Izotropní bodový zdroj Difúzní povrchy	Izotropní bodový zdroj Lesklé povrchy	Velký plošný zdroj Difúzní povrchy	Velký plošný zdroj Lesklé povrchy
Malý plošný zdroj Difúzní povrchy	Malý plošný zdroj Lesklé povrchy	Konst. mapa prostředí Difúzní povrchy	Konst. mapa prostředí Lesklé povrchy