Globale Beleuchtung. Thorsten Grosch. Thorsten Grosch Seit September 2009 Juniorprofessor für CV in Magdeburg

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1 Praktikum Globale Beleuchtung Thorsten Grosch Wer bin ich Thorsten Grosch Seit September 2009 Juniorprofessor für CV in Magdeburg g 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 Echtzeit-Beleuchtung mit der GPU 1

2 Was ist Globale Beleuchtung 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 Aufgabe im Praktikum Globale Beleuchtung mit intuitiver Bedienung Nicht nur einfach Lichtquellen einfügen Klassisch: Setze Position, Orientierung, Farbe, Stattdessen: Vorgabe des gewünschten Effekts Cinematic Lighting Lichtquellen werden dann indirekt platziert 2

3 Ideensammlung Verschiedene Ideen für die Steuerung der Beleuchtung Nicht alles muss im Praktikum implementiert t werden Beispiel Glanzlicht Benutzer klickt auf Glanzlicht und bewegt Glanzlicht Lichtquelle wird passend zu neuer Glanzlichtposition bewegt Einfallswinkel = Ausfallswinkel Heuristik für Abstand der Lichtquelle z.b. Abstand bleibt konstant Nur wenn sich ein Blocker dazwischen befindet, wird die Lichtquelle vor den Blocker gesetzt 3

4 Beispiel Schatten Benutzer klickt auf Schatten und zieht Schatten an neue Position Lichtquelle wird für neuen Schatten gesetzt Heuristiken, z.b. Abstand Lichtquelle Blocker bleibt gleich Test, ob Lichtquelle jetzt evtl. ausserhalb der Szene Lichtquelle nach innen bewegen Indirekte Beleuchtung Ohne indirektes Licht wirkt alles ziemlich künstlich Verschiedene Optionen Erstmal ignorieren Von Hand indirekte Lichtquellen setzen (z.b. rote Lichtquelle auf roter Wand) Indirekte Schatten: Optionen Ignorieren Einen oder mehrere Schatten zeichnen (weiche Schatten) Soft Shadows (schwierig) Instant Radiosity (schwierig) Normales Radiosity (langsam) 4

5 Zusammensetzung der Beleuchtung System sollte mit interaktiver Geschwindigkeit laufen Vorschlag: Direktes Licht mit OpenGL Lichtquellen Hardware Schatten Shadow Maps oder Shadow Volumes Indirektes Licht mit einem der vorgestellten Verfahren Beide Anteile addieren Direktes und indirektes Licht Grobe Patchauflösung Radiosity (mit schlechten Schattenkanten) Direktes Licht pro Pixel addieren Herausnehmen des direkten Lichts (indirektes Licht ist weich ) T. Grosch

6 Radiosity Progressive Refinement Aufteilung in Patches Berechnung von Formfaktoren & Sichtbarkeit Radiosity Übertragung Darstellung mit Gouraud Shading Nur auf Nachfrage Aktualisierung, dauert ein paar Sekunden 0 Iterationen 1 Iteration 5 Iterationen 100 Iterationen 500 Iterationen 1000 Iterationen Mit Gouraud Shading Weitere Ideen erwünscht Erwünscht: Eigene Ideen zur Kontrolle der Beleuchtung mit einbringen Hier ein paar Vorschläge von mir Constraints: Hier auf jeden Fall Schatten, hier auf keinen Fall Schatten, Malen der Beleuchtung, Lichtquellen werden durch Optimierungsverfahren bestimmt Cheating: Benutzer kontrolliert selektiv die Stärke des Color Bleeding (Formfaktoren erhöhen oder indirekte Lichtquellen einfügen) Weiche Schatten, Benutzer kontrolliert Halbschattenbreite Idee für gemeinsames Projekt mit Prof. Dachselt: Kontrolle der Beleuchtung durch Gesten 6

7 Constraints [Pellacini et al. 2002] Bereich immer im Schatten Bereich nie im Schatten 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 7

8 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 icheat Video 8

9 Werkzeuge C++ OpenGL (GLUT) EtlGLSLShd Evtl. Shader Evtl. Library für Benutzerinterface, z.b. Qt Versionskontrolle mit SVN Wiki Hilfreich Vorlesung Photorealistische Computergrafik Ray Tracer aus Übung Diverse Klassen (Dreieck, Kugel, ) und Funktionen (Strahl, Schnittpunkt, ) Beispielprogramme für Shadow Volumes und Shadow Maps Fragen bis hierher? 9

10 Bis nächste Woche Hausaufgaben Welche Features sollen integriert werden? Ray Tracer aus PCG Vorlesung ansehen Nächste Woche Festlegung der Features Aufteilung der Aufgaben Festlegung Datum Projektende Wöchentliches Treffen Wöchentliches Treffen Do, 13:00 ct, Raum G Berichte aus letzter Woche Aufgaben für nächste Woche Bitte vorher Bescheid sagen, falls verhindert Projektende Präsentation Dokumentiertes Programm Demo 10

11 Ein einfacher Raytracer Einfacher Raytracer Eigenschaften Objekte (einfache Liste) Kugel und Dreieck Schnittpunkt Strahl - Objekt Primärstrahlen (Pixel) und Schatten (Punktlichtquellen) Diffuse und spekulare Reflexion (Phong Modell) Aufgabe C++, OpenGL und GLUT Mögliche Erweiterungen Lichtbrechung, Transparenzen, Fresnel Reflexion, Besseres Oberflächenmodell (Mikrofacetten, Anisotropie usw.) Andere Objekte (Kegel, Zylinder, Polygon, ) Szene einladen, Bounding Volume Hierarchie, 11

12 Raytracer Klassen Raytracer Material Lightsource Vector Ray Intersection Scene List Object Camera Sphere Triangle Raytracer Klassen Vector Klasse Rechnen mit Vektoren und Punkten Operatoren werden überladen float s; Vector a, b, c; a = b + c; a = s * b; s = dot(a,b); a = cross(b, c); a.normalize(); // Vektoraddition // Skalierung // Skalarprodukt // Kreuzprodukt // Normalisierung Rechnen mit Farben (komponentenweise Multiplikation) Vector col1 = col2 * col3; 12

13 Raytracer Klassen Lightsource Klasse Einfache Punktlichtquelle Vector mlocation; // Position Vector mcolor; // Lichtstärke I als Farbe I_rgb Material Klasse Phong BRDF Vector mcolor; // Farbe der Oberfläche float mdiffuse; // Diffuser Reflexionsgrad [0..1], // diffuser Reflexionsgrad als Farbe: mdiffuse * mcolor float mspecular; // Spekularer Reflexionsgrad [0..1] float mphongexponent; // Phong Exponent Raytracer Klassen Ray Klasse Strahl Vector morigin; Vector mdirection; // Strahlanfang // Strahlrichtung (nicht normalisiert) Intersection Klasse Speichert Information über Schnittpunkt Ray mray; // Strahl float mlambda; // Geradenparameter Lambda Object* mobject; // Geschnittenes Objekt Vector mlocation; // Schnittpunkt Vector mnormal; // Normale am Schnittpunkt 13

14 Raytracer Klassen Object Klasse Abstrakte Basisklasse für alle Geometrieobjekte Schnittpunkt von Strahl mit Objekt virtual bool closestintersection(intersection& hit)=0; virtual bool anyintersection(ray& ray, float maxlambda)=0; Normale am Schnittpunkt virtual it void calcnormal(intersection& l(i ti &hit) hit)=0; int getmaterialindex() const; // Material des Objekts Raytracer Klassen Sphere Klasse Kugel, speichert Mittelpunkt und Radius Abgeleitet von Object Triangle Klasse Dreieck, speichert Eckpunkte Abgeleitet von Object 14

15 Raytracer Klassen List Klasse Speichert Liste von Objekten typedef std::vector<object*> ObjectList; ObjectList items; //! Vector mit den hinzugefuegten Objekten void addobject(object* newchild); // Fuegt ein Objekt der Liste hinzu Schnittpunkt mit Liste von Objekten bestimmen bool closestintersection(intersection& hit); bool anyintersection(ray& ray, float maxlambda); Raytracer Klassen Camera Klasse Alle Eigenschaften der Kamera from, at, up, angle Intern umgerechnet in Vektor nach rechts und nach unten Generiert Primärstrahlen durch Pixel (x,y) Scene Klasse Speichert alle Daten der Szene Liste aller Objekte Liste aller Materialien Liste aller Lichtquellen Kamera 15

16 Raytracer Klassen Raytracer Klasse Hauptklasse trace und shade Methoden renderline: eine Zeile berechnen Rufe trace() pro Pixel der Zeile auf (Primärstrahl) Setze Pixelfarbe Speichert Bild als out.ppm ab Raytracer Ablauf main.cpp Generiere einfache Szene 4 bunte Kugeln auf grüner Bodenfläche (2 Dreiecke) Alle Objekte sind halb diffus, halb spekular 2 Lichtquellen Kamera Danach läuft nur noch die display() Funktion In der OpenGL display() Funktion wird immer eine Zeile berechnet (renderline) und dann ausgegeben 16

17 Raytracer Ablauf Raytracer Vector trace(strahl) Falls Schnittpunkt mit Szene gefunden return shade(schnittpunkt) sonst return BackgroundColor Vector shade(schnittpunkt) Für alle Lichtquellen Falls Schnittpunkt nicht im Schatten» Berechne diffuse und spekulare Beleuchtung» color = color + material->shade() Falls Material spekular Berechne reflektierten Vektor color = color + rhospecular * trace(reflect) Aufgabe Vector Material::shade(Intersection& hit, Lightsource& light) Gegeben light: Punktlichtquelle (farbige Lichtstärke, Position) aktuelle Klasse: Material (Farbe, diffuser und spekularer Reflexionsgrad von aktuellem Material) hit: Schnittpunkt, Oberflächennormale und aktueller Strahl Gesucht (farbige) Leuchtdichte nach Phong Beleuchtungsmodell Lichtquelle Normale Strahl 17