Hot Topics. 18. Vorlesung

Transkript

1 Hot Topics 18. Vorlesung Photorealistische Computergrafik Thorsten Grosch

2 Einleitung Heute Verschiedene aktuelle Themen Alles was nicht in die Vorlesung gepasst hat Danach Fragen / Kommentare zur Vorlesung

3 Lightcuts [Walter et al. 2005] Schnelles Final Gathering Verfahren für große Menge beleuchteter t Punkte (z.b. aus Photon Mapping Simulation) Alle Punkte zu verwenden ist zu zeitaufwändig (siehe auch Instant Radiosity) Daher wird eine Hierarchie der Punkte generiert Beim Final Gathering wird die Punkthierarchie traversiert und pro Knoten entschieden, ob dieser als Sender verwendet werden kann oder weiter unterteilt werden muß, da der resultierende Fehler zu groß wird Pro Pixel im Bild wird also ein individueller Cut durch die Hierarchie gebildet

4 Lightcuts [Walter et al. 2005] Als Sender werden nur Knoten aus dem Cut verwendet deutlich weniger als Anzahl der Punkte Die Knoten im Cut werden in einer Priority Queue gespeichert Der Knoten mit der größten zu erwartenden Änderung wird aus der Queue entnommen und durch seine beiden Kinder ersetzt Wiederholung bis Fehlerschranke unterschritten Cut

5 Lightcuts Bilder Environment map lighting & indirect 13K Points,Time 111s Textured area lights & indirect 600K Points,Time 98s (640x480, Anti-aliased, Glossy materials, avg. cut size < 1% of points)

6 QSplat Schnelles Rendering von grossen Punkt- Modellen Berechne Cut durch Punkthierarchie Wenn ein innerer Knoten auf nur ein Pixel abgebildet wird, keine weitere Traversierung des Teilbaums QSplat: Insgesamt 127 Mio Punkte Nur ~300k gezeichnet 5-10 fps Szymon Rusinkiewicz and Marc Levoy: QSplat: A Multiresolution Point Rendering System for Large Meshes SIGGRAPH 2001 Michelangelo: St. Mathew (unfinished) Before 1501

7 Micro Rendering [Ritschel et al. 2009] Einsatz der QSplat / Lightcuts Idee für schnelle globale Beleuchtung mit der GPU Verwendung einer beleuchteten Punkthierarchie Jeder Pixel im Framebuffer traversiert die Punkthierarchie und berechnet einen Cut durch die Hierarchie Parallele Traversierung pro Pixel mit CUDA

8 Micro Rendering Pro Pixel im Bild wird das direkte Licht aus der Sicht des zugehörigen 3D- Punkts in den Micro Framebuffer gezeichnet Dazu wird die beleuchtete Punkthierarchie traversiert Das indirekte Licht am 3D-Punkt ergibt sich dann als Summe der Micro- Pixel [Ritschel, Engelhardt, Grosch, Seidel, Kautz, Dachsbacher] SIGGRAPH ASIA 2009

9 Micro Rendering Die Traversierung erfolgt parallel, l pro Pixel berechnet ein CUDA Thread den Cut und trägt das Ergebnis in einem lokalen 2D Array ein Dieses 2D Array entspricht einem Micro- Framebuffer pro Pixel im Framebuffer Micro-Framebuffer Micro-Pixel Framebuffer

10 Micro Rendering Video

11 Micro Rendering Hierarchie

12 Warping bei glänzenden BRDFs Micro Buffer wird an BRDF angepasst Höhere Auflösung in wichtigen Bereichen

13 Micro Rendering Vergleich Micro Rendering Path Tracing

14 Glossy Final Gather Photon Mapping Simulation (CPU, offline) Export von beleuchteten (diffusen) Surfels Glossy Final Gather mit Micro Rendering, 2 fps

15 Coherent Shadow Maps (CSM) [Ritschel, Grosch, Kautz, Müller EGSR 07] Problem Sichtbarkeitstest ist zeitaufwändig Idee Shadow Mapping Vorberechnung vieler orthographischer Shadow Maps Für die Sichtbarkeitsabfrage wird eine der vorberechneten Shadow Maps ausgewählt Zwei Probleme Speicher Diskretisierung

16 Depth Function Creation Umsortierung: Alle Tiefenwerte werden als Tiefenfunktionen pro Pixel der Shadow Map gespeichert

17 Depth Compression Tiefenfunktion wird für ersten und zweiten Schnittpunkt bestimmt (Depth Peeling) Für einen korrekten Schatten kann ein beliebiger z-wert dazwischen genommen werden beliebige Funktion zwischen den beiden Funktionen Einfache Wahl: Konstante Segmente Hohe Kompression z.b. Buddha 160 : 1 1M depth maps (256 x 256) in einer Textur (!) Für den Tiefenvergleich wird Binäre Suche in Segmentliste benötigt [Arvo et al. 05] Use arbitrary value between z1 and z2 [Woo 90][Weiskopf et al. 03]

18 Monte Carlo Renderer auf der GPU Vorberechnung Texturen Zufallszahlen Invertierte CDF von BRDF Lichtquellen Beleuchtung pro Fragment mit Multiple Objects Importance Sampling, CSM wird für schnelle Sichtbarkeit eingesetzt Textured Area Light Linear Light Spatially varying materials

19 Discretization Errors

20 CSM Video

21 Antiradiance [Dachsbacher et al. 2007] Sichtbarkeit ist meistens der zeitaufwändigste Teil bei Globaler l Beleuchtung Wenn man die Sichtbarkeitsberechnung ignoriert, so fliegt das indirekte Licht durch die Wände [Dachsbacher et al. 2005] Man kann aber folgendes machen: Zunächst wird das Licht unverdeckt übertragen, z.b. Hierarchisches Radiosity ohne Sichtbarkeit Danach wird pro Patch das empfangene Licht aus dem vorderen Halbraum als negatives Licht in den hinteren Halbraum versendet Positiv/Negativ abwechselnd iterieren

22 Antiradiance Standard Lichttransport Nur sichtbare Anteile kommen beim Empfänger an G K transport with occlusion reflection

23 Antiradiance Unverdeckte Übertragung (von allen Schnittpunkten) Danach Korrektur mit negativem Licht Diskretisierung Position & Richtung notwendig U transport without occlusion generate negative light

24 Antiradiance Beispiele

25 Antiradiance Video

26 Light Propagation Volumes [Kaplanyan and Dachsbacher 2010] Idee: Verwende 3D Gitter füge Lichtquellen und VPLs in Gitter ein (injection) Füge Geometrie in Gitter ein ( Blocking gp potential), wie kann sich Licht durch diese Zelle bewegen) Licht wird dann zwischen benachbarten Gitterzellen ausgetauscht Anzahl Iterationen ist Time Quality Tradeoff

27 Light Propagation Volumes [Kaplanyan and Dachsbacher 2010] Ein Problem: Grobe Gitterauflösung Cascaded Light Propagation Volumes Mehrere Gitter Hohe Auflösung in Nähe der Kamera Mitbewegung g mit Kamera

28 Light Propagation Volumes Echtzeit Beleuchtung auf GPU ( fps) Starke Vereinfachung der echten Lichtverteilung

29 Editierbare Globale Beleuchtung [Pellacini et al. 2007] Indirekte Steuerung der globalen Beleuchtung Benutzer malt die gewünschte Lichtverteilung Position, Farbe, der Lichtquellen werden über ein Optimierungsverfahren bestimmt Weitere Optionen Benutzer zieht Schatten & Glanzlichter Lichtquellen werden entsprechend angepasst

30 Editierbare Globale Beleuchtung Wissenschaftliches Teamprojekt SS 2010 Cinematic Lighting Schatten und Glanzlichter ziehen [Pellacini 2000] z.b. Schatten ziehen

31 Editierbare Globale Beleuchtung [Obert et al. 2008] icheat Ausgehend von einer globalen Beleuchtungssimulation kann der Benutzer manuell das Licht verändern z.b. Color Bleeding selektiv verändern

32 icheat Video

33 Volumen Beleuchtung Volume Photon Mapping, ca. 8 Min. Henrik Wann Jensen

34 Volume Rendering Equation Hier müssen nicht nur die Punkte auf der Oberfläche beleuchtet werden, sondern alle Punkte im Volumen Das Licht wird durch das Medium abgeschwächt (outscatter, absorb) Es kommt aber auch Licht aus allen anderen Richtungen hinzu (in-scatter) x x v v Lo ( x, ωo) = τ ( x, x) α( x ) Le ( x, ωo) dx + x 0 v v v v τ ( x, x) α( x ) f ( x, ωi, ωo) cosθ Li ( x, ωi ) dωi dx + x0 4π sr v τ ( x, x ) L o ( x, ω ) ( 0 0 o x x L o v ωo x 0 f r v ωi y L i x τ ( x, x) = e x κ ( ξ ) dξ

35 Volumen Beleuchtung GPU Volumetrische Schatten [Wyman & Ramsey 2008] Volumen Kaustiken Beleuchtete Geometrie [Wyman 2008] + Zusammensetzung aus unterschiedlichen Lichtpfaden Vereinfachung: Single Scattering

36 Volumen Kaustiken auf der GPU s v Refractor p 0 p 1 Shadow Volume x p 2 Surface Caustic Caustic Volume p Volumen Kaustiken: Zeichne viele Linien von den Austrittspunkten p1 zu den Oberflächenpunkten p2 und aktiviere additives Blending [Krueger et al. EGSR 06]

37 Volumen Kaustiken auf der GPU Pro Pixel der rasterisierten Linie wird die komplette Transmittance (Abschwächung von Lichtquelle bis Auge) berechnet s τ ( s, p0 p 0 ) p 1 v τ ( p 1, x) τ ( x, v) ) x t1 p p 2

38 Volumen Kaustiken [Hu,Dong, Ihrke, Grosch, Seidel, i3d 2010]

39 Video Volumen Kaustiken

40 Animiertes Objekt

41 Vergleich CPU - GPU

42 Noch viele weitere Verfahren. zu viele, um alle hier vorzustellen Gute Quelle zu aktuellen Themen:

43 Nächstes Semester Neue Vorlesung: GPU Programmierung Fortgeschrittene OpenGL Programmierung Shader Programmierung Vertex / Fragment / Geometry / Tessellation Shader CUDA General purpose GPU, parallele Programmierung Wahlpflicht Bachelor Hiwi gesucht (20 Std / Monat, ab sofort) Vorbereitung der Vorlesung Übung

44 Organisatorisches Prüfungen: (G29, Raum 209) Liste mit Prüfungsterminen im ISG Sekretariat Fragestunde: Do, :00 Raum 335 Fragen zur Prüfung Fragebogen g zur Evaluation der Vorlesung Fragen / Kommentare zur Vorlesung