Physikalisch-basiertes Rendering · In dieser Vorlesung: nur geometrische Optik Wellennatur des...
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Eine Einführung
Dr. A. ZinkeGfaR mbH
Goethe Universität Frankfurt a.M.Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn
Physikalisch-basiertes Rendering
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Organisatorisches
Angaben:Vorlesung: 2 SWSZurdnung:
praktische/technische Informatik (PT3)angewandte Informatik (ANI)
Zeit & Ort: Montags, 8:30 ct ; hier
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Zeit & Ort: Montags, 8:30 ct ; hier
Studienfächer/-richtungen:Wahlpflicht INF-D ab 5
VordiplomVorlesung Computer Graphik
Wahlpflicht INF-BSc ab 3 (ECTS-Credits:3)Zulassungsvoraussetzung: Module - Programmierung | Hardware | (Modellierung & Datenstrukturen)mündliche Prüfung
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Voraussetzungen ?!
Mathematik: Vektoren, Matrizen, Deltadistribution…
Informatik: Bäume, Rekursion,…
Physik: Licht als Welle und Teilchen, Energie, …
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Physik: Licht als Welle und Teilchen, Energie, …
Interesse
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Zu meiner Person..
Ausbildung: Studium der Physik & Informatik und anschließende Promotion in BonnLehre: Goethe Universität Frankfurt a.M.Forschung: Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn
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Bonnphysikalisch basiertes RenderingSimulation & Animation
Ausserdem: industrielle Forschungs- und Entwicklungsprojekte
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Überblick
Ziel: Einführung in physikalisch basiertes Renderingnur Überblick – keine ProgrammieranleitungKonzepte, Ideen & BeispieleVerständnis wichtiger als Detailwissen
GrundlagenEinführungFarbe & RadiometrieLichtstreuung von Oberflächen
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Lichtstreuung von Oberflächenvolumetrische Lichtstreuung (Nebel, Rauch…)Monte Carlo SimulationenPath TracingPhoton Mappingeffiziente Strahl-Objekt Schnittpunktstests (BVH, Kd-Baum,…)Sampling und Rekonstruktion
Anwendungspezielle Streumodelle für OberflächenSimulation von HaarenSimulation von Haut…
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Literatur
“Physically Based Rendering from Theory to Implementation“ von Matt Pharr and Greg Humphreys
Theorie & Praxis
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SIGGRAPH & EUROGRAPHICSCourse Notes
Papers
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Motivation
Spiele & Filme
Produktdesign
Architektur
optische Simulationen© PDI / Dreamworks
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optische Simulationen
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Rendering
Typische Problemstellung
0ut: virtuelles BildIn: virtuelle Szene
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+ →+
Kamera Licht-quellen
Renderer
Geometrie (inkl. Materialinformation)
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Physikalisch-basiertes Rendering
Grundidee:simuliere Lichttransport/-verteilung
visualisiere Ergebnis
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Physikalisch-basiertes Rendering
physikalisch basierte Simulation der Interaktion von Licht und Materie
Vorhersage und Analysemöglichst vollständige Simulation optisch relevanter Effekte
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Effekte
In dieser Vorlesung: nur geometrische OptikWellennatur des Lichtes wird vernachlässigt bzw. nicht explizit berücksichtigt
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Rendering-Pipeline
Szenendefinition
Materialdefinitionen / Streufunktionen
Geometrie
Lichtquellen
Kamera / Sensor
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Optische Simulation
Bild / virtuelle Messung
Rekonstruktion
Sampling
Monte Carlo Integration
Kamera / Sensor
effiziente Strahl – Objekt Schnittpunktstests
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Raytracing – eine Einführung
Einfaches Renderingverfahren zur BildsyntheseErzeugung eines Rasterbildes
nur unvollständige optische Simulation…
…aber wichtige Grundlage für nahezu alle modernen
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physikalisch-basierten Renderer
Klassisches Raytracing (dt. Strahlverfolgung)verfolge Lichtstrahlen(-pfade) „rückwärts“ (ausgehend vom Auge) durch die virtuelle Szene
in einfacher Form bereits Mitte der 60er Jahre
vollständiger Algorithmus um 1980 (Turner Whitted)
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Virtuelle Kamera
Einfachstes Modell: Lochkamera
Raycasting / Raytracing„Umkehrung“ des Lochkameraprinzips
Blende ↔ Auge
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virtuelle Welt hinter der Bildebene
„Augstrahlen“ durch Pixelraster
Bildschirm (Bildebene) als Fenster zur virtuellen Welt
Lochkamera klassischer Raytracer
AugstrahlLichtstrahl
Bildebene Bildebene (Pixelraster)
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Raycasting (Appel, 1968)Unive
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Auge
Bildebene (Pixelraster)
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Raycasting (Appel, 1968)Unive
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Auge
Bildebene (Pixelraster)
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Raycasting (Appel, 1968)Unive
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Auge
Bildebene (Pixelraster)
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Raycasting (Appel, 1968)
Nur direkte Beleuchtung !(keine Interreflexionen)
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(keine Interreflexionen)
eye
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Raytracing
BildebeneBeobachter
Interreflexionen !
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Lichtquelle
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Whitted Raytracing AlgorithmusUnive
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Whitted Raytracing AlgorithmusUnive
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Lichtintensität & Sichtbarkeit
Objektfarbe (schwarz,
falls abgeschattet)
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falls abgeschattet)
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Ray-Tree
Raytracing als rekursiver Prozess
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Komponenten eines Raytracers
Szene: Was soll berechnet werden?Geometrie
Primitive: z.B. Dreiecksnetz, Kugeln, Zylinder,…
prozedural: z.B. fraktal
Materialdefinitionen
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Materialdefinitionenfür Oberflächen und Medien
LichtquellenIntensität und Richtungsverteilung
Kamera & Filmz.B. Position, Bildweite, Brennweite, Auflösung, Tonemapping,…
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Komponenten eines Raytracers
Software: Wie soll berechnet werden?Raytracing Kern
rekursive / iterative Berechnung relevanter Strahlengänge
Strahl-Objekt Schnittpunkttests
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Strahl-Objekt Schnittpunkttestsnaiv: Teste jeden Strahl mit ALLEN Objekten einer Szene
SichtbarkeitSchattenstrahlen (shadow rays)
spekulare (spiegelnde) Reflexion / BrechungRichtung des gespiegelten / gebrochenen Strahls
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Minimaler Raytracer
Wettbewerb auf comp.graphics, 1987
kürzester Whitted (Reflexion, Brechung, Schatten) Raytracer in C (minimale Tokenzahl)
Szene besteht aus Kugeln
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Szene besteht aus Kugeln
Struktur: main, rekursives trace, intersect-sphere, vector-normalize, vector-add, dot-product.
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Minimaler RaytracerUnive
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Reflexion und Brechung
ReflexionÄnderung der Ausbreitungsrichtung an Grenzfläche (ohne Übergang)
Brechung
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BrechungÄnderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle (eines “Lichtstrahls”) nach Transmission (Übergang an Grenzfläche)Grund: Unterschiede in der Phasengeschwindigkeit (“Lichtgeschwindigkeit”) der Medien → verschiedene Brechungsindizes
i.A. wellenlängenabhängig
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Reflexionsgesetz: θi=θ
r
R und d sind coplanar
Reflexion
R+(-d)=2(N·(-d))N 2(N·(-d))N
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→R=d-2(N·d)N
R+(-d)=2(N·(-d))N 2(N·(-d))N
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Brechung
Snelliussches Brechungsgesetz:T und d sind coplanar
ηθ
θ==
1
2
)sin(
)sin(
n
n
o
i
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( ) dNdNdNT ηηη +⋅−−−⋅−= ))(1(1)( 22
-d
N
θi
θt T
n1
n2
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BeispieleUnive
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Turner Whitted, 1980
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BeispieleUnive
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spekulare Reflexion spekulare Transmission
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War’s das schon ?
Nein ! ☺Bisher:
ausschließlich spekulare Brechung, Reflexion ohne Absorption usw.Lochkamera
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Lochkameraeinfache Lichtquellennaive Implementierung
TODO:komplexe Materialienkomplexe BeleuchtungEffizienz !!!
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z.B. bildbasierte Beleuchtung (Environment-Maps)
Komplexe BeleuchtungUnive
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Dispersion
Brechungsindex ist i.A. wellenlängenabhängig
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Kaustiken
„Konzentration“ von Licht - Lupeneffekt
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Realistische Materialien
z.B. „weiche“ Reflexionen (glossy reflections)
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Realistische Materialien
z.B. Jade, Marmor,…
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Texturen und komplexe MaterialienUnive
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Fluoreszente MaterialienUnive
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Extrem komplexe Strukturen
z.B. Haare150000 Einzelaareeffiziente Strahl-Objekt Schnittpunktstests ?Streufunktion ?
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