Photorealistische Computergrafik. Thorsten Grosch

Transkript

1 Photorealistische Computergrafik Thorsten Grosch

2 Worum geht es? Globale Beleuchtung Simulation aller Lichtwege von der Lichtquelle bis zum Auge Indirektes Licht, Spiegelungen, weiche Schatten, Ziele: Photorealistische Darstellung Echtzeitdarstellung, also mind. 25 Bilder / sek. Virtuelle 3D Szene, keine Beleuchtung Lokale Beleuchtung: Nur direktes Licht Schnell, aber künstlich Globale Beleuchtung: Photorealistisch, aber zeitaufwändig

3 Stroebel et al.1986 Beispielbilder Geomerics CryTek Bilder: Jensen, Lightscape

4 Zur Vorlesung Simulation von Licht Vorlesung ist grob in zwei Abschnitte aufgeteilt Möglichst korrekte Lichtsimulation (CPU, erste Hälfte) Möglichst schnelle Lichtsimulation (GPU, zweite Hälfte) 4 SWS (V3 + Ü1), 6 ECTS Punkte Montag, 11 Uhr, Raum G Mittwoch,11 Uhr, Raum G Vorlesung für Master Studenten bzw. Diplomanden

5 Zur Vorlesung Voraussetzungen Grundlagen der Computergraphik C++ OpenGL (GLUT) Mathematik Vektorrechnung Differential / Integralrechnung Stochastik

6 Übung Ca. jede 4. Vorlesung ist Übung Übungsblatt ca. 1 Woche vorher Theoretische Aufgaben & Programmieraufgaben (C++, OpenGL) Keine Korrektur der Übungen Keine Musterlösung für Theorieaufgaben Framework für Programmierung Pro Übungsblatt neues Framework Insgesamt 5 Übungen, ab 2. Übung mit Programmieraufgaben Prüfung Mündliche Prüfung bei wenigen Teilnehmern, sonst Klausur

7 Webseiten Folien, Übungsblätter und Programme sind momentan auf der Webseite semester_2010_2011.html Folien von letztem Jahr wwwisg.cs.uni-magdeburg.de/visual g g Teaching Photorealistische Computergrafik

8 Wer bin ich Thorsten Grosch Seit September 2009 Juniorprofessor für CV in Magdeburg Davor Studium Informatik TU Darmstadt Fraunhofer IGD Lichtsimulation (Radiosity) Universität Koblenz Landau (die andere CV Uni) Aufbau der Computergrafik Lehre Doktorarbeit Erweiterung von realen Bildern mit korrekter Beleuchtung Post-Doc am MPI Informatik Saarbrücken

9 IGD Darmstadt Studium Informatik TU Darmstadt Fraunhofer IGD Darmstadt Radiosity Finite-Elemente Verfahren für globale Beleuchtung Physikalisch korrekt für diffuse Umgebungen Refinement Photometrische Konsistenz Beleuchtung Auto Innenraum

10 Universität Koblenz-Landau 2002 Wechsel an Uni Koblenz zusammen mit Prof. Dr. Stefan Müller Neuaufbau Computergrafik Lehrstuhl Vorlesungen Computergrafik 1 + Übung Computergrafik 2 + Übung Photorealistische Computergrafik + Übung Vorlesungen zusammen erarbeitet, alle Übungen selbst erstellt Seminare, Studien/Diplomarbeiten, Praktika, Doktorarbeit Augmentierte Bildsynthese

11 Erweitertes Bild

12 Original Foto

13 MPI Informatik Post-Doc Forschungsschwerpunkt Globale Beleuchtung in Echtzeit mit der Grafik Hardware Projekte Coherent Shadow Maps Imperfect Shadow Maps Screen-Space Directional Occlusion

14 MPI Informatik Imperfect Shadow Maps: Ritschel, Grosch, Kim, Seidel, Dachsbacher, Kautz

15 Vorstellung der Vorlesung

16 Was ist Licht Licht = elektromagnetische Welle Lichtquelle versendet permanent kleine Wellenzüge (Photonen) Die Photonen werden (mehrfach) auf den Oberflächen der Objekte reflektiert und nehmen dabei die Objektfarbe an Gelangt ein Photon ins Auge, so wird ein Rezeptor auf der Netzhaut aktiviert Dieses Signal wird ans Gehirn weitergeleitet Das Bild entsteht Direktes und indirektes Licht

17 Globale Beleuchtung Direktes Licht Lichtquelle Reflexion an Oberfläche Auge Einfach zu berechnen Indirektes Licht Lichtquelle mehrfach an Oberfläche reflektiert Auge Schwierig zu berechnen Licht an einem Punkt L o hängt von Licht an allen anderen Punkten ab v ωo Integralgleichung l x f r v ωi y L L i

18 Rendering Equation Zur Simulation von Licht muß folgende Integralgleichung gelöst werden [Kajiya 1986] : L o v ( x, ω ) o v v v v v = L ( x, ω ) + f ( x, ω, ω ) cosθ L ( x, ω ) dω e o 2π sr r Das Licht an einem Punkt x in Richtung des Betrachters ergibt sich aus der Eigenemission an x plus dem Licht aus allen einfallenden Richtungen, das in Richtung des Betrachters reflektiert wird i o i i i L i L o v ωo x f r v ω i

19 Grundlagen Lichttechnische Grundgrößen Photometrie Einfache Lichtübertragung Diese Grundlagen werden der Vorlesung immer wieder auftauchen Mathematik Auch hier Grundlagen, die immer wieder verwendet werden, z.b. Polarkoordinaten, Integration über Kugel (2D)

20 Reflexion Was passiert wenn Licht auf ein Material trifft Diffuse Reflexion Spiegelnde Reflexion Glänzende Reflexion Bi-direktionale Reflexions- Verteilungs-Funktion (BRDF) Messung Mikofacetten Modelle Parametrisierte Modelle (Phong, Lafortune, Ward, Ashikhmin- Shirley)

21 Ray Tracing Ein mögliches Verfahren zur Simulation von Licht Beschreibung Licht durch Strahlen Strahlverfolgung aus Auge (nicht aus Lichtquelle) Rekursives Verfolgen von reflektiertem und gebrochenem Strahl Spiegelnde/Gläserne Objekte Glas Diffuse Fläche Spiege l

22 Tone Mapping Darstellung der Ergebnisse Jeder Monitor hat eine max. Helligkeit Simulation hat evtl. grössere Werte (grösserer Dynamikbereich) Abbildung auf darstellbaren Bereich mit möglichst guter Qualität

23 High Dynamic Range High Dynamic Range (HDR) Fotos mit beliebig großen Werten pro Pixel Generierung aus Belichtungsserie Bestimmung der Kamerakurve

24 Radiosity Simulation von Licht als diffuse Strahlung kommt aus Bereich der Thermodynamik, Wärmeausbreitung Aufteilung der Geometrie in Patches konstante Strahlung nur diffuse Reflexion Komplizierte Rendering Gleichung wird zu Linearem Gleichungssystem Beleuchtung großer Szenen Progressive Refinement Hierarchisches Radiosity

25 Radiosity Beispiele

26 Path Tracing Monte Carlo Verfahren Löse Integral durch Zufallszahlen Lichtsimulation durch Zufallszahlen Ray Tracing mit zufälligen Strahlen Sampling Generiere Zufallszahlen nach einer Dichte Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung Beleuchtung = Zufallsexperiment

27 Path Tracing Beispiele

28 Photon Mapping Simulation von Licht als Teilchen (Photonen) Zwei-Schritt-Verfahren Schritt 1 Verteilung der Photonen Schritt 2 Bestimmung der Helligkeit aus Photonendichte Alle wichtigen Lichteffekte darstellbar, speziell sog. Kaustiken

29 Precomputed Radiance Transfer Echtzeit Beleuchtung in natürlicher Umgebung Vorberechnung der Lichttransporte Beschreibung von einfallendem Licht und Reflexion an Oberfläche in Orthonormalbasis 2D Fourier Reihe über Kugeloberfläche Sphärisch-harmonische Funktionen Wavelets Komplexe Berechnung reduziert sich auf einfaches Skalarprodukt

30 Grundlagen Grafik Hardware OpenGL Pipeline Der Weg vom Eckpunkt zum Pixel Transformationen Projektionen Einfache Beleuchtung Buffer Stencil Buffer Accumulation Buffer

31 Programmierung der GPU Vertex und Fragment Programs OpenGL Shading Language Multi-Pass Rendering Multiple l Render Targets

32 Echtzeit Schatten Schatten lassen sich nicht direkt mit der Grafik Hardware darstellen Grund ist die Rasterisierungs- Pipeline Zu jedem Zeitpunkt ist nur ein Polygon bekannt Zur Darstellung des Schattens müssten alle Polygone bekannt sein Echtzeit-Schatten gehen daher nur auf Umwegen Shadow Volumes Shadow Maps

33 Instant Radiosity Globales Beleuchtungsverfahren für die GPU Zwei Schritte Verteilen von virtuellen Punktlichtquellen (VPLs) Beleuchtung mit vielen VPLs Schatten pro VPL ca VPLs werden für gute Qualität benötigt Schnelle Varianten Reflective Shadow Maps Imperfect Shadow Maps Instant Radiosity

34 Ambient Occlusion Schnelle Näherung der Sichtbarkeit it Mittlere Sichtbarkeit pro Eckpunkt/Texel speichern Keine physikalisch korrekte Lichtsimulation, aber visuell plausibel Echtzeitfähig Dynamische Szenen möglich Screen-Space Verfahren SSAO, SSDO

35 Augmentierte Bildsynthese Erweiterung reales Kamerabild mit virtuellen Objekten Rekonstruktion der Beleuchtung auf dem Foto Globale Beleuchtung mit virtuellen Objekten Einblendung ins Foto, Licht und Schatten sind korrekt

36 Vorläufige Zeitliste Datum Thema Datum Thema Einführung Photon Mapping Grundlagen Licht & Mathematik Übung (Path Tracing) Reflexion Precomputed Radiance Transfer Übung (Grundlagen) Grundlagen Grafik Hardware Ray Tracing Shader Programmierung Tone Mapping, High Dyn. Range Hardware Schatten Radiosity Übung (Shader) Übung (Ray Tracing/Radiosity) Instant Radiosity Sampling Ambient Occlusion Path Tracing Augmentierte Bildsynthese Fällt aus Augmentierte Bildsynthese GPU Fällt aus Übung (Instant Radiosity / AO) Hot Topics

37 Literatur Semesterapparat zur Vorlesung Es gibt kein Buch, das die gesamte Vorlesung abdeckt M. Pharr and G. Humphreys: Physically Based Rendering. Morgan Kaufmann, ( P. Dutre, K. Bala and P. Bekaert: Advanced Global Illumination. AK Peters, 2006, 2nd Edition ( H.W. Jensen: Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping, AK Peters 2001 (graphics.ucsd.edu./~henrik/papers/book) P. Shirley and K. Morley: Realistic Ray Tracing, AK Peters, 2003, 2nd Edition T. Akenine-Möller, E. Haines and N. Hoffman: Real-time Rendering, AK Peters ( ) D. Shreiner: OpenGL Programming Guide, Addison Wesley, 2009, 7th Edition. R. Rost: OpenGL Shading Language, Addison Wesley, 3rd Edition

38 Nächste Vorlesung Mittwoch, 11 Uhr ct, Raum 335 Grundlagen Licht & Mathematik