Propostas de Projectos
Iluminação e FotoRealismo
Luís Paulo Santos
Março, 2009
Motivação
A principal motivação para a realização de projectos no âmbito deste módulo prende-se com a necessidade de os formandos se envolverem com os conteúdos apresentados, aplicando-os, questionando-se e exercendo espírito crítico num contexto de aplicação prática e pesquisa autónoma, levando assim ao efectivo desenvolvimento de competências e apropriação do conhecimento.
A elaboração de um relatório e a apresentação pública dos trabalhos desenvolvidos contribuem também para o desenvolvimento da capacidade de comunicação escrita e oral, promovendo a linguagem como ferramenta de expressão e construção de pensamentos, ideias e argumentos próprios, alicerçados no espírito crítico.
Calendarização
Data Descrição
12.Mar Selecção Enunciado 07.Mai Apresentação Fase 1 25.Jun Apresentação Fase 2 25.Jun Relatório Final A fase 1 deve-se debruçar sobre os seguintes aspectos:
Definir claramente o conceito base subjacente ao trabalho a desenvolver;
Definir claramente como é que este conceito base vai ser realizado/verificado/testado/avaliado no sistema, incluindo a metodologia de trabalho;
Desenvolver uma arquitectura de alto nível para o sistema a desenvolver: quais são os principais blocos do sistema e qual a função de cada um desses blocos;
Identificar as tecnologias envolvidas no sistema: de que forma vai ser implementado cada um dos blocos;
Definir as cenas e métricas a utilizar para validar os resultados obtidos; Efectuar o planeamento do projecto: o que vai ser feito e quando; Identificar os recursos necessários.
Avaliação
O Projecto, com um peso total de 60% na classificação final do módulo (isto é 12 valores), é constituído pela Apresentação Oral, pelo Relatório Escrito e pelo artefacto efectivamente desenvolvido, aqui designado por Produto. A Apresentação (30% - 3,6 valores) e o Relatório (50% - 6 valores) serão avaliados pela correcção científica, clareza, estrutura, capacidade de síntese e espírito crítico. O Produto (20% - 2,4 valores) será avaliado pelo seu valor tecnológico, capacidade de demonstração dos conceitos associados ao enunciado e originalidade.
P1 – iRT (interactive Ray Tracer): Bounding Volume Hierarchy (BVH)
O iRT é um ray tracer interactivo desenvolvido no Departamento de Informática da Universidade do Minho no âmbito de um projecto financiado pela FCT. Este ray tracer explora as potencialidades SIMD [Wald02] dos processadores modernos da Intel para acelerar as intersecções dos raios com os triângulos. No entanto, o desempenho de qualquer ray tracer depende da eficácia e eficiência da respectiva estrutura de ordenação espacial, cuja finalidade é reduzir o número de intersecções efectivamente avaliadas pelo renderer.
No âmbito do módulo Seminários deste curso foi desenvolvida uma estrutura de ordenação espacial baseada em BVHs para o iRT; esta diminui dramaticamente o número de intersecções realizadas aumentando o desempenho do programa. No entanto, esta implementação teve como principal preocupação a funcionalidade a desenvolver, e não o desempenho da mesma. Assim sendo, nem a construção nem a travessia desta estrutura de dados foram optimizadas. Pretende-se com este projecto optimizar e avaliar as seguintes componentes desta estrutura de dados:
1. realizar a travessia usando as funcionalidades SIMD da Intel e do icc (Intel C Compiler); ver algoritmos em [Goldsmith87, Haverkort04, Wald07];
2. avaliar os algoritmos e critérios de paragem e divisão na construção das BVH; 3. optimizar a construção da BVH usando as funcionalidades SIMD da Intel e do icc.
P2 – iRT (interactive Ray Tracer): raios secundários
O iRT é um ray tracer interactivo desenvolvido no Departamento de Informática da Universidade do Minho no âmbito de um projecto financiado pela FCT. Este ray tracer explora as potencialidades SIMD [Wald02] dos processadores modernos da Intel para acelerar as intersecções dos raios com os triângulos. No entanto, a versão actual do iRT apenas suporta raios primários, isto é , aqueles que são disparados da câmara para a cena.
Pretende-se com este projecto estender a arquitectura actual do iRT por foma a suportar raios secundários, nomeadamente os raios responsáveis pela iluminação directa (disparados na direcção das fontes de luz). Para atingir este objectivo os alunos devem:
1. estudar extensões à arquitectura actual do iRT por forma a suportar raios secundários; 2. seleccionar, de forma justificada, uma das extensões estudadas;
3. implementar e avaliar a extensão proposta.
work queue Camera work queue GenPrimRays() Databas e Scene AccDS GenRays() Traverse Intersect Shade
GetRays() Film AddSample() LoadScene Transform Scene (Re)build AccDS Kernel
P3 – Iluminação directa adaptativa
O algoritmo de ray tracing nas suas formas mais simples exige, para cada ponto, o disparo de raios na direcção de TODAS as fontes de luz, determinando desta forma se estão ou não ocludidas em relação ao ponto em questão. Na realidade, para aquelas fontes de luz que não são representadas por deltas de Dirac (ex., pontos e luz direccional), são necessários vários raios para cada fonte, permitindo assim uma integração mais precisa da respectiva área e simulando sombras mais realistas, incluindo umbra e penumbra. Se uma cena inclui muitas fontes de luz, este processo rapidamente se torna o gargalo de toda a simulação devido ao elevado número de raios gerados para avaliar a iluminação directa.
Numa simulação de Monte Carlo, no entanto, algumas contribuições podem não ser amostradas, com uma dada probabilidade, desde que as outras amostras efectivamente avaliadas sejam multiplicadas por um factor que compense pela porção do domínio que não foi efectivamente inspeccionado. Quer isto dizer, que podemos avaliar apenas uma fracção das fontes de luz (talvez aquelas com maior potência radiante, ou que serão provavelmente visíveis a partir deste ponto) e multiplicar por um factor que compense por todas aquelas que não foram calculadas. Diminui-se assim o número de raios disparados para avaliar a iluminação directa. A solução obtida ainda é matematicamente correcta, mesmo que essa imagem tenha muito ruído (variância).
Pretende-se experimentar técnicas estocásticas de selecção das fontes de luz e avaliar a qualidade e eficiência do resultado. Desenvolva um Surface Integrator que construa uma distribuição probabilística para selecção das fontes de luz e faça a amostragem das mesmas baseada nesta distribuição. Investigue critérios para a construção da distribuição, tais como: potência radiante (Φ), área da fonte de luz (A), distância da fonte de luz (r), ou mesmo alguma combinação de factores, tal como por exemplo 2
r A
(ver Secs. 16.1, Exerc. 16.1 e 16.2 do livro). Esclarecimentos e ideias podem ser encontrados em (Shirley, 1996), secção 3.3 de (Ward, The Radiance Lighting Simulation and Rendering System, 1994). Documente a técnica usada, código desenvolvido e resultados obtidos para que este componente possa ser disponibilizado na página do pbrt.
P4 – Iluminação Directa: LightCuts
O algoritmo de ray tracing nas suas formas mais simples exige, para cada ponto, o disparo de raios (shadow feelers) na direcção de TODAS as fontes de luz, determinando desta forma se estão ou não ocludidas em relação ao ponto em questão. Cenas com um elevado número de fontes de luz resultam num tempo de processamento muito elevado, devido à necessidade de avaliar a visibilidade de todas as fontes de luz para todos os pontos.
São muitas as abordagens existentes para diminuir o número de fontes de luz a avaliar em cada ponto; a maioria destas técnicas usa algum critério para prever quais as fontes de luz provavelmente mais importantes para cada ponto e avalia directamente apenas aquelas, estimando de alguma forma a contribuição das outras.
A técnica de lightcuts (Walter, Fernandez, Arbree, Bala, Donikian, & Greenberg, 2005) consiste em agrupar as fontes de luz em grupos (clusters) de duas, atribuindo ao cluster a localização de uma delas e a potência de ambas. Este agrupamento em clusters é depois continuado hierarquicamente, resultando numa árvore binária cuja raiz tem a potência de todas as fontes de luz e a localização de uma e as folhas correspondem às fontes de luz individuais. O agrupamento em clusters é feito usando alguma definição de distância, como por exemplo a distância euclidiana. Para iluminar um ponto seleccionam-se depois quais os nós desta árvore a utilizar: quanto mais perto da raiz menos shadow feelers são necessários, mas também maior é o erro da aproximação. O conjunto de nós da árvore utilizado para iluminar um ponto é designado por light cut.
Pretende-se com este projecto implementar o algoritmo de lightcuts no pbrt, estudar o seu desempenho e escalabilidade, bem como experimentar diferentes critérios de agrupamento e seleccção dos cuts.
Goldsmith, J., & Salmon, J. (1987). Automatic Creation of Object Hierarchies for Ray Tracing.
IEEE Computer Graphics and Applications , 14-20.
Haverkort, H. (2004). Introduction to bounding volume hierarchies.
Humphreys, M. P. (2004). Physically Based Rendering: from theory to implementation. Morgan Kaufmann.
Shirley, P. (1996). Monte Carlo Techniques for Direct Lighting. ACM Transactions on Graphics . Wald, I. (2002). Interactive global illumination using fast ray tracing. Rendering Symposium. Wald, I. (2003). Interactive global illuminationin complex and highly occluded environments.
Rendering Symposium.
Wald, I. (2007). On fast Construction of SAH based Bounding Volume Hierarchies . Proceedings
of the 2007 Eurographics/IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing.
Walter, B., Fernandez, S., Arbree, A., Bala, K., Donikian, M., & Greenberg, D. (2005). LightCuts: A Scalable Approach to Illumination. SIGGRAPH.
