Jaroslav Křivánek

Počítačová grafika III (NPGR010) – zimní semestr 2013/2014

Rozvrh: Přednáška - St 10:40-12:10 S3 | Cvičení - St 12:20-13:50 SW2 (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 předmět Počítačová grafika 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.

Důležité termíny

Týden Datum Obsah Poznámka
6 6.11.2013 Zadání úlohy 1
7 13.11.2013 Písemný test na přednášce
Odevzdání úlohy 1 na cvičení
Zadání úlohy 2		 Podmínkou udělení zápočtu je zisk alespoň 50% bodů z testu.
Neúčast na testu bez předchozí omluvy je důvodem k neudělení zápočtu.
Odevzdání úlohy je možné pouze osobně na cvičení.
Penále 50% bodů za každý započatý týden prodlení.
9 27.11.2013 Odevzdání úlohy 2
Zadání úlohy 3		 Odevzdání úlohy je možné pouze osobně na cvičení.
Penále 50% bodů za každý započatý týden prodlení.
10 4.12.2013 Odevzdání úlohy 3
Zadání úlohy 4		 Odevzdání úlohy je možné pouze osobně na cvičení.
Penále 50% bodů za každý započatý týden prodlení.
11 11.12.2013 Odevzdání úlohy 4 Odevzdání úlohy je možné pouze osobně na cvičení.
Penále 50% bodů za každý započatý týden prodlení.
12 18.12.2014 Zadání úlohy 5
Oznámení výběru třech odborných článků ke zkoušce		 Penále 2 body za každý den prodlení.
14 TBA Odevzdání úlohy 5
Udělení zápočtů		 Odevzdání úlohy je možné pouze osobně na cvičení.
Penále 50% bodů za každý započatý týden prodlení.
TBA Konzultace ke zkoušce
TBA Zkouška

Program přednášek a materiály ke stažení

Týden Datum Téma přednášky Slajdy & poznámky Další materiály
1 2.10.2012
2 9.10.2012 Organizace
Úvod		 Přednáška: pdf | pptx / pdf | pptx
Cvičení: pdf | pptx 		Petr Olšák - dOmega
Scratchpixel - Concenpts
Scratchpixel - The Mathematics of Shading
3 16.10.2012 Radiometrie Přednáška: pdf | pptx
Cvičení: pdf | pptx
Poznámky 2012
 Petr Olšák - Základní radiometrické veličiny
Scratchpixel - Introduction to Radiometry
Scratchpixel - Radiometric Relationships
Scratchpixel - Light Sources
Scratchpixel - What is Radiometry Really Useful For?
Wikipedie - Radiometrické veličiny
4 23.10.2012 --- (Děkanský den)
5 30.10.2012 Odraz světla, BRDF Přednáška: pdf | pptx
Cvičení: pdf | pptx
Poznámky 2012
 Scratchpixel - Materials
6 6.11.2012 Monte Carlo metody, Výpočet přímého osvětlení Přednáška: pdf | pptx
Cvičení: pdf | pptx
7 13.11.2012 Monte Carlo metody II, Image-based lighting Přednáška: pdf | pptx
8 20.11.2012 --- (Odpadá)
9 27.11.2013 Kombinované estimátory - Multiple Importance Sampling Přednáška: pdf | pptx
10 4.12.2013 Zobrazovací rovnice a její řešení, Sledování cest (path tracing) Přednáška: pdf | pptx
11 11.12.2013 Všehochuť: Quasi-Monte Carlo metody, Důležitost (Importance), Sledování světla (LT), Obousměrné sledování cest (bidirectional path tracing) Přednáška: pdf | pptx
12 18.12.2013 Dokončení BPT, Photon mapping Přednáška: pdf | pptx
13 1.1.2014 --- (Nový rok)
14 8.1.2014 Globální osvětlení ve filmové produkci (Irradiance caching, Point-based GI) Přednáška: pdf | pptx

Získané body & výběr článků ke zkoušce

Student Test U1 U2 U3 U4 U5 Zk Vybrané články
Kratochvíl Petr 9.5 3 3 4.5 11 14
  1. Jakob and Marschner Manifold Exploration: A Markov Chain Monte Carlo technique for rendering scenes with difficult specular transport , SIGGRAPH 2012
  2. Georgiev et al.Light Transport Simulation with Vertex Connection and Merging, SIGGRAPH Asia 2012
  3. Sadeghi et al.Physically-based Simulation of Rainbows, SIGGRAPH 2012
Mach Pavel x, 6.5 3 3 4.5 11 14
  1. Marschner, Jensen, Cammarano, Worley, HanrahanLight Scattering from Human Hair Fibers, SIGGRAPH 2003
  2. Kalantari, Sen Removing the Noise in Monte Carlo Rendering with General Image Denoising Algorithms, Eurographics 2012
  3. Lee, EisemannPractical Real-Time Lens-Flare Rendering, Eurographics 2013
Kápl Roman 8.5 4+3 4+1 6 10 18 43
  1. Jaakko Lehtinen, Timo Aila, Samuli Laine, Fredo Durand, Reconstructing the Indirect Light Field for Global Illumination, SIGGRAPH 2012
  2. Beibei Wang, Jing Huang, Bert Buchholz, Xiangxu Meng, Tamy Boubekeur, Factorized Point Based Global Illumination, Eurographics Symposium on Rendering 2013
  3. Anthony Pajot, Loic Barthe, Mathias Paulin, Pierre Poulin, Combinatorial Bidirectional Path-Tracing for Efficient Hybrid CPU/GPU Rendering, Publikace
Novotný Jiří 7.5 4+3 4+1 6 10 18 34
Šebesta Michal 4.5 3 4 4 6 8
  1. Eric Bruneton et al. Real-time Realistic Ocean Lighting using Seamless Transitions from Geometry to BRDF, EUROGRAPHICS 2010
  2. Kalantari, Sen Removing the Noise in Monte Carlo Rendering with General Image Denoising Algorithms, EUROGRAPHICS 2013
  3. Niels Billen et al. Probabilistic Visibility Evaluation for Direct Illumination, Eurographics Symposium on Rendering 2013
Pešková Eva x, 7 3 4 4 6 8
  1. Jarosz et al. Theory, Analysis and Applications of 2D Global Illumination ,SIGGRAPH 2012
  2. Boyadzhiev et al. User-assisted Image Compositing for Photographic Lighting ,SIGGRAPH 2013
  3. Nowrouzezahrai et al. A Programmable System for Artistic Volumetric Lighting ,SIGGRAPH 2012
Valchová Ivana 5.5 2.5 2.5 1 4.5 20 35
  1. D. Fradin, D. Meneveaux, S. Horna Out-of-Core Photon-Mapping for Large Buildings, Eurographics Symposium on Rendering 2005
  2. Benjamin Mora Naive-Ray-Tracing: A divide-and-conquer approach, SIGGRAPH 2012
  3. Bent Dalgaard Larsen, Niels Jorgen Christensen Simulating Photon Mapping for Real-time Applications,Eurographics Symposium on Rendering 2004
Vášová Viktorie 7.5 2.5 2.5 1 4.5 20 43
  1. T. Ritschel, T. Grosch, M. H. Kim, H.-P. Seidel, C. Dachsbacher, J. Kautz Imperfect Shadow Maps for Efficient Computation of Indirect Illumination, SIGGRAPH 2008
  2. K Zhou, Y. Hu, S. Lin, B. Guo, H.-Y. Shum Precomputed Shadow Fields for Dynamic Scenes, SIGGRAPH 2005
  3. M. Wand, W. Straßer Real-Time Caustics, EUROGRAPHICS 2003
Wirth Michal 7.5 3.5 4 6 11 40
  1. Mora Naive Ray Tracing: A Divide-And-Conquer Approach, SIGGRAPH 2012
  2. Laine et al. Soft shadow volumes for ray tracing, SIGGRAPH 2005
  3. Georgiev et al. Light Transport Simulation with Vertex Connection and Merging, SIGGRAPH Asia 2012
Do Manh Tuan 4.5 3.5 4 6 11 34
  1. Iliyan Georgiev et al. Light Transport Simulation with Vertex Connection and Merging, SIGGRAPH Asia 2012
  2. Ritschel et al. Making Imperfect Shadow Maps View-Adaptive ... , Comp. Graph. Forum 2011
  3. Scherzer et al. Pre-convolved Radiance Caching, EGSR 2012
Šťasta Jakub 4 2 2 5+1.5 11 20 29
  1. T. Hachisuka et al. Multidimensional adaptive sampling and reconstruction for ray tracing, SIGGRAPH 2008
  2. T. Hachisuka et al. Progressive photon mapping, SIGGRAPH Asia 2008
  3. B. Mora Naive Ray-Tracing: A Divide-And-Conquer Approach, SIGGRAPH 2012
Beňovič Marek
  1. Autor Název, Publikace
  2. Autor Název, Publikace
  3. Autor Název, Publikace

Informace k úlohám

Opisování nebo odevzdávání cizí práce bez uvedení zdroje je důvodem k neudělení zápočtu. Úlohy lze odevzdávat pouze na cvičení. Odevzdání úlohy po stanoveném termínu vede ke ztrátě 50% bodů za každý týden (tj. při prodlevě dva týdny za úlohy nezískáte žádné body). Při odevzdání se předpokládá dokonalá znalost odevzdávaného kódu (neznalost kódu je indikací podvádění s jeho důsledky).

Zadání úlohy 1: Výpočet přímého osvětlení pomocí vzorkování pozice na zdroji světla (4 body)

Cílem první úlohy je začít budovat infrastrukturu pro výpočet globálního osvětlení, konkrétně implementovat vyhodnocení BRDF a struktury pro reprezentaci zdrojů světla. Tyto metody budou otestovány na problému výpočtu přímého osvětlení z bodových a plošných zdrojů světla pomocí estimátoru vzorkujícího pozice na zdroji světla. Ukažte že estimátor konverguje k referenčnímu řešení. (Rozdílový obrázek mezi vaším řešením a referencí by měl obsahovat uniformní šum v celém obrázku.)

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

Odkazy:

Bodování

Celkem lze za úlohu ziskat maximálně 4 body. Následující tabulka shrnuje bodové hodnocení jednotlivých částí úlohy (doporučuji úlohu zpracovávat v tomto pořadí, vždy nejdříve pro difúzní a pak pro lesklou komponentu BRDF):

Plošný zdroj2 body
Mapa prostředí s konstantní září: 2 body
Podpora HDR mapy prostředí (návod 1, návod 2): 3 body navíc
Podpora anizotropního BRDF modelu
(např. anizotropní Ward, anizotropní Ashikmin-Shirley): 		2 body navíc
Další možné doplňkové úlohy dle dohody: max 3 body navíc

Zadání úlohy 2: Estimátor přímého osvětlení založený na náhodném vzorkovaní směrů (4 body)

Cílem úlohy je implementovat estimátor přímého osvětlení založený na náhodném vzorkovaní směrů. Pro vyřešení této úlohy bude zapotřebí implementovat a) generování náhodného směru z uniformní distribuce na hemisféře, a b) generování nahodného směru podle BRDF (importance sampling). Tuto funkcionalitu pak využijete pro implementaci estimátoru samotného (pouze pro plošné zdroje a mapu prostředí; pro bodové zdroje tento estimátor nefunguje). Ukažte, že estimátor vzorkující náhodné směry podle BRDF je efektivnější (tj. při stejném počtu vzorků generuje obrázky s nižší úrovní šumu) než estimátor založený na uniformním vzorkování hemisféry. Ukažte, že řešení konverguje ke stejným referenčním obrázkům jako v úloze 1.

Bodování

Celkem lze za úlohu ziskat maximálně 4 body.

Uniformní vzorkování hemisféry: 2 body
BRDF importance sampling: 2 body
Podpora HDR mapy prostředí (návod 2, návod 2): 1 bod navíc oproti úloze 1
Podpora anizotropního BRDF modelu
(např. anizotropní Ward, anizotropní Ashikmin-Shirley): 		1 bod navíc oproti úloze 1
Další možné doplňkové úlohy dle dohody: max 3 body navíc

Zadání úlohy 3: Kombinovaný estimátor pro výpočet přímého osvětlení (6 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 a 2 (tj. vzorkování pozice na zdroji světla a 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.)

Bodování

Celkem lze za úlohu ziskat maximálně 6 bodů.

Možné doplňkové úlohy dle dohody: max 3 body navíc

Zadání úlohy 4: Path tracer s kombinovaným estimátorem pro výpočet přímého osvětlení (11 bodů)

V této úloze použijte vybudovanou infrastrukturu pro implementaci nnásledujících metod:

Bodování

Celkem lze za úlohu ziskat 11 bodů.

Použití quasi-Monte Carlo metod (např. Haltonovy sekvence): 2 body navíc
Další možné doplňkové úlohy dle dohody: max 3 body navíc

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

Zadání úlohy 5: Implementace složitějšího algoritmu pro výpočet globálního osvětlení dle vlastního výběru (20 bodů)

Možnosti: