Jaroslav Křivánek

Počítačová grafika III (NPGR010) – zimní semestr 2014/2015

Rozvrh:	Přednáška - St 9:00-10:30 S8 | Cvičení - Čt 14:00-15:30 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 předmět Počítačová grafika II (NPGR004) a je určena pro vážnější zájemce o počítačovou grafiku. Pokrývá moderní oblasti realistické syntézy obrazu používané pro tvorbu speciálních efektů ve filmech, počítačových animací, architektonických vizualizací atd. Konkrétně se jedná o témata jako zobrazovací rovnice, Monte Carlo metody pro simulaci transportu světla (sledování cest, fotonové mapy atd.).

• Organizace, požadavky k zápočtu a zkoušce: pdf | pptx.
• Informace o zkoušce: pdf.
• Poznámky k přednáškám z r. 2012: zip.

Důležité termíny

Program přednášek a materiály ke stažení

Informace k úlohám

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

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:

• 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

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 zdroj	2 body
Mapa prostředí s konstantní září:	2 body
Podpora HDR mapy prostředí (návod viz PBRT, sekce 14.6.5.):	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)

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:

• Sledování cest (8 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 (3 body). Podmínkou pro udělení bodů 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.

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)

• Photon mapping.
• Irradiance caching.
• Podmnožina bidirectional path tracingu (MIS kombinace sledování cest a sledování světla).
• Jiný algoritmus dle vlastního výběru.

Výběr článků ke zkoušce