Grafika komputerowa

Realizm w grafice komputerowej

Rados!aw Mantiuk

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny

Grafika komputerowa

Obraz realistyczny

Zbli$ony jako!ci# do obrazów / animacji obserwowanych przez cz%owieka.

Realizm:
• modelu geometrycznego,
• interaktywno!ci,
• modelu o!wietlenia (renderingu),
• zachowania
• itp.

Fotorealizm

- obraz syntetyczny zbli$ony wygl%dem do fotografii.

Realizm

- poj#cie ogólne, np. w animacji wa$ny jest realizm zachowania.

Uzyskanie obrazów o wysokim stopniu realizmu w czasie rzeczywistym nie jest obecnie
mo$liwe. Konieczne jest tworzenie filmów, ktore s% nast#pnie wy"wietlane (ogranicza to
interaktywno"& przekazu).
Tworzenie obrazów realistycznych jest b. kosztowne.

Grafika komputerowa d#$y do wzrostu realizmu syntezowanych obrazów przy
jednoczesnym skróceniu czasu syntezy.

Percepcja

- definiuje granice realizmu.

Grafika komputerowa

Realizm modelu geometrycznego

Aproksymacje powierzchni zmniejszaj# realizm.

• Skanowane mesh’e o b. du$ej rozdzielczo"ci.
• Mapowanie tekstur (ang. bump mapping, displacement
mapping, environment mapping, itp.).
• Powierzchnie krzywoliniowe (ang. splines).
• Powierzchnie opisane równaniami (ang. blobbies).
• Ró$ne poziomy szczegó!owo"ci (LOD - ang. Level od Details).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Realizm renderingu

Uproszczone modele o!wietlenia i brak uwzgl"dnienia zjawisk optycznych
zmniejszaj# realizm.
• Elementy o"wietlenia globalnego (przezroczysto"ci, odbicia, mapy "wiat!a).
• Obliczanie globalnego o!wietlenia w czasie rzeczywistym (ray tracing, radiosity,
metoda IBR).
• Wykorzystanie obrazów HDR (ang. High Dynamic Range).
• Realistyczne modele o"wietlenia (photon mapping).
• Cieniowanie proceduralne (fragment shaders).
• Rendering efektów optycznych (g!#bia ostro"ci, flary, blooming, efekty wolumetryczne,
itp.).
• Antyaliasing.
• G!ebia ostro"ci.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Realizm animacji

Postrzeganie animacja jest integraln# cz"!ci# HVS.
Cz%owiek obserwuje obrazy dynamiczne.

• Antyaliasing po czasie (ang.

temporal antialiasing

).

• Rozmycie obrazu (ang.

motion blur

).

Grafika komputerowa

Realizm zachowania

Cz%owiek "pami"ta" sposób zachowania si" (ruchu) przedmiotów/ludzi. Prawid%owe
odwzorowanie tego zachowania jest kluczowe dla uzyskania efektu realizmu.

• Systemy przechwytywania ruchu (ang.

motion capture

).

• Symulacje fizyczne -

animacje proceduralne

(zachowanie obiektów zgodne z prawami

fizyki).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Realizm interakcji

Cz%owiek przyzwyczajony jest do interakcji z otoczeniem.

•

Czas rzeczywisty

wy"wietlania animacji (ang. frames per second - fps) - dostosowany

do mo$liwo"ci wy"wietlacza.
•

Opó(nienia

na komendy u$ytkownika (ang.

latency

) (powinno by& poni$ej 1/2 czasu

wy"wietlania ramki (programowalne GPU).

Grafika komputerowa

Przysz!o"& grafiki komputerowej

1.

Realizm b#dzie coraz wi#kszy.

2.

Osi%gany b#dzie w czasie rzeczywistym.

3.

Coraz wi#ksze znaczenie odgrywa& b#d% algorytmy percepcyjne.

4.

Du$e znaczenie ma rozwój urz%dze' wej"cia/wyj"cia (np. wy"wietlacze
stereowizyjne).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Literatura

1.

Tomas Moller, Eric Haines, Real-Time Rendering, A K Peters, ISBN 1-56881-101-2

2.

“Lecture notes on Graphics. Lecture 6.837”, Computer Graphics Group,
Massachusetts Institute of Technology,
http://groups.csail.mit.edu/graphics/classes/6.837/F01/notes.html.

Grafika komputerowa

Metoda "ledzenia promieni

Grafika komputerowa

Metoda "ledzenia promieni (ang. ray tracing)

)ledzenie promienia od kamery do
obiektów. Jednokrotne próbkowanie
piksela obrazu wynikowego.

Backward ray tracing

• Rendering poprzedzony jest przez próbkowanie
(ograniczenie liczby oblicze&).
• Realistyczne powierzchnie odbijaj#ce i
przezroczyste (o!wietlenie globalne).
• W%a!ciwe przes%anianie si" obiektów.
• Wizualizacja cieni.
• Brak wzajemnego o!wietlania si" powierzchni
dyfuzyjnych (o!wietlenie lokalne).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika czasu rzeczywistego

Forward rendering

Grafika komputerowa

Algorytm ray tracingu

promie' pierwotny

promie' wtórny odbity
(reflected)

promie' wtórny za!amany
(refracted)

normalna do
powierzchni

promie' testuj%cy cienie (ang. shadow ray)

)ledzenie drzewa promieni.

dla ka$dego piksela obrazu

ray casting

- bez promieni wtórnych

Grafika komputerowa

Algorytm ray tracingu

•

Dla ka$dego piksela generowany jest promie& pierwotny rozpoczynaj%cy si#
w oku i przechodz%cy przez poszczególne piksele.

•

Poszukiwane jest przeci#cie si# promienia z najbli$szym obiektem na scenie.
W tym celu sprawdzane jest przeci#cie promienia z ka$dym obiektem na scenie
(przes!anianie si# obiektów).

•

Z punktu przeci#cia wysy!any jest promie' testuj%cy cienie.

•

Dla punku przeci#cia obliczany jest kolor (np. za pomoc% modelu o"wietlenia
Phong’a).

•

Dla powierzchni odbijaj%cych lub przezroczystych generowany jest promie&
wtórny "ledzony podobnie jak promie' pierwotny.

•

Kolory piksela jest "redni% wa$on% kolorów obliczanych dla poszczególnych
punktów przeci#cia (waga zmniejsza si# dla kolejnych odbi&).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Algorytm ray tracingu

Grafika komputerowa

Obliczenie kierunku promienia

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

!

ray = pos + t " dir

Grafika komputerowa

Obliczanie przeci#&

Przeci#cie promienia z kul% (szukanie punktów wspólnych wektora i kuli).

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

s

c

t - odleg!o"& od kamery do punktu przeci#cia
liczona wzd!u$ promienia.

r

Grafika komputerowa

Model o"wietlania (model Phong'a)

Równanie o"wietlenia obliczane dla ka$dego punktu przeci#cia i ka$dego (ród!a "wiat!a.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

!

"

n

l

p

r

v

!

i

spec

= m

spec

" s

spec

" (v " r)

m

shi

!

i

amb

= m

amb

" s

amb

!

i

tot

= i

amb

+

(i

diff

k

+ i

spec

k

)

k=1

N

"

!

i

diff

= m

diff

" s

diff

" (l " n)

Pictures courtasy of MIT, Lecture Notes 6.837

Grafika komputerowa

Drzewo promieni

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Promie' odbity i za!amany

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Przy"pieszanie ray tracingu

• Przy"pieszanie obliczania przeci#&.

podzia! przestrzeni

figura otaczaj%ca

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Metoda bilansu energetycznego

ang. radiosity

Grafika komputerowa

Idea metody radiosity

zdj#cie

ray tracing

radiosity

Obliczanie wzajemnego oddzia!ywania na siebie powierzchni dyfuzyjnych.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Porównanie z innymi metodami syntezy

Grafika komputerowa

O"wietlenie globalne w radiosity

Zabarwianie powierzchni na kolor innych powierzchni.

Grafika komputerowa

Algorytm radiosity

radiancja p%ata i

energia emitowana

Radiancja p%ata i b"dzie zale$a%a od radiancji wszystkich p%atów na scenie.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Algorytm radiosity: Full Matrix Radiosity

Uk!ad równa' liniowych.

Dany p!at “zbiera” radiancj# innych p!atów.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Wspó!czynnik sprz#$enia (ang. form factor) (1)

Oszacowania jaka cz"!' energii dociera z p%ata i do p%ata j.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Wspó!czynnik sprz#$enia (ang. form factor) (2)

metoda geometryczna

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Wspó!czynnik sprz#$enia (ang. form factor) (3)

metoda pó%sze!cianu

ray casting

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Algorytmy Radiosity

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Progressive radiosity

- wyniki z kolejnych iteracji rozwi%zywania uk!adu równa'.

Shooting-radiosity

- form factor'y liczone najpierw dla powierzchni silnie

emituj%cych "wiat!o.

Grafika komputerowa

Wizualizacja

U"rednianie warto"ci radiosity dla wierzcho!ków.

Pictures courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Lightscape http://www.lightscape.com

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Lightscape http://www.lightscape.com

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Lightscape http://www.lightscape.com

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Lightscape http://www.lightscape.com

Po!%czenie radiosity z ray tracingiem

Grafika komputerowa

Przyk!ady

Courtesy of Cornel University

Grafika komputerowa

Przyk!ady JaTrac

Grafika komputerowa

Przyk!ady JaTrac

Grafika komputerowa

Przyk!ady JaTrac

Grafika komputerowa

Przyk!ady JaTrac