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© Next Limit University of Bonn & GfaR mbH Eine Einführung Dr. A. Zinke GfaR mbH Goethe Universität Frankfurt a.M. Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn Physikalisch-basiertes Rendering

Physikalisch-basiertes Rendering · Überblick Ziel: Einführung in physikalisch basiertes Rendering nur Überblick –keine Programmieranleitung Konzepte, Ideen & Beispiele Verständnis

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    Eine Einführung

    Dr. A. ZinkeGfaR mbH

    Goethe Universität Frankfurt a.M.Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn

    Physikalisch-basiertes Rendering

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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…

  • Literatur

    “Physically Based Rendering from Theory to Implementation“ von Matt Pharr and Greg Humphreys

    Theorie & Praxis

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    SIGGRAPH & EUROGRAPHICSCourse Notes

    Papers

  • 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)

  • 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

  • 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

  • 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)

  • 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)

  • Raycasting (Appel, 1968)Unive

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    Auge

    Bildebene (Pixelraster)

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    Auge

    Bildebene (Pixelraster)

  • Raycasting (Appel, 1968)Unive

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    Auge

    Bildebene (Pixelraster)

  • Raycasting (Appel, 1968)

    Nur direkte Beleuchtung !(keine Interreflexionen)

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    (keine Interreflexionen)

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  • Raytracing

    BildebeneBeobachter

    Interreflexionen !

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    Lichtquelle

  • 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)

  • 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,…

  • 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

  • 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.

  • 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

  • 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

  • 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

  • BeispieleUnive

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    Turner Whitted, 1980

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    spekulare Reflexion spekulare Transmission

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  • BeispieleUnive

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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 !!!

  • 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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