460-4078/01 – Počítačová grafika I (PG I)
| Garantující katedra | Katedra informatiky | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | Ing. Tomáš Fabián, Ph.D. | Garant verze předmětu | Ing. Tomáš Fabián, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinně volitelný |
| Ročník | 1 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2015/2016 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
Cílem předmětu je prohloubení základních znalostí počítačové grafiky, se kterými se mohl posluchač seznámit v bakalářském studiu. Po absolvování předmětu posluchač porozumí základním principům moderních metod fotorealistického zobrazování scény. Vybrané metody bude umět popsat, naimplementovat a vytvářet aplikace pro renderování obrazů na základě fyzikálních principů šíření světa, přičemž důraz je kladen především na globální metody.
Absolvent předmětu dokáže:
- definovat základní struktury a operace používané v počítačové grafice se zaměřením na syntézu obrazu pomocí technik sledování paprsků,
- orientovat se v algoritmech rekurzivního sledování paprsků,
- formulovat rozdíl mezí lokálními a globálními metodami výpočtu osvětlení,
- řešit zobrazovací rovnici metodou Monte Carlo,
- navrhovat postupy pro urychlení konvergence stochastických metod,
- konstruovat akcelerační struktury pro urychlení průchodu paprsku scénou,
- specifikovat rozhodující optické vlastnosti vybraných typů materiálů,
- vytvářet výkonné paralelizované aplikace pro fotorealistickou syntézu obrazu.
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Anotace
Předmět volně navazuje na úvodní bakalářský kurz Základy počítačové grafiky a pokrývá hlavní principy fotorealistické syntézy obrazu. Jsou probírána zejména tato témata: metoda sledování paprsku, osvětlovací modely, modely odrazu světla od povrchu (BRDF), zobrazovací rovnice, základy metody Monte Carlo pro simulaci transportu světla, zajištění fyzikální korektnosti výsledků, urychlování výpočtu, vyhlazování obrazu a popis základních optických materiálových modelů. Předmět zahrnuje cvičení, během kterých jsou témata probírána na přednáškách prakticky realizována formou implementace programů k zápočtu. Teoretické poznatky získané během rozboru dílčích úloh slouží jako základ pro praktickou implementaci konkrétních příkladů na cvičeních. Cvičení tedy úzce korespondují s přednáškami a předpokládá se praktická realizace zmíněných témat v prostředí jazyka C++.
Povinná literatura:
Doporučená literatura:
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Podmínkou udělení zápočtu je odevzdání jednotlivých úloh ze cvičení. Funkčnost jednotlivých částí bude prezentována v rámci cvičení v zápočtovém týdnu. Podmínkou pro udělení zápočtu je zvládnutí těchto úloh s bodovým ziskem minimálně 20 bodů ze 45 možných. Hodnotí se zejména míra pochopení daného problému, správnost implementace algoritmů, funkčnost a vizuální úroveň prezentovaných výsledků. Předpokládá se výborná orientace v odevzdaném zdrojovém kódu.
Předmět je ukončen ústní zkouškou s písemnou přípravou.
E-learning
Další požadavky na studenta
U studentů se předpokládá znalost matematiky a programování na úrovni probrané během bakalářského studia.
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
Přednášky:
- Fyzikální a matematické základy syntézy obrazu (světlo, radiometrické a fotometrické veličiny, barevné systémy).
- Model kamery, hloubka ostrosti, afinní prostory a transformace, maticový zápis, změna báze, přechody mezi souřadnými systémy.
- Metoda sledování paprsku (Ray Tracing), výpočet průsečíků těles s paprskem.
- Základní typy materiálů, modely odrazu světla, textury, BRDF.
- Mikroploškové modely (Cook-Torrance, Oren-Nayar), obecné BxDF.
- Vícenásobné vzorkování a anti-aliasing, gamma korekce.
- Urychlovací metody, akcelerační datové struktury a paralelizace.
- Zobrazovací rovnice (Kajiya) a její řešení pomocí metod Monte Carlo.
- Metoda sledování cest (Path Tracing), techniky snižování rozptylu (vzorkování po částech a podle důležitosti, ruská ruleta, next event estimation, přímé osvětlení).
- Zdroje světla (vzorkování, image based lighting)
- Obousměrné sledování cest (Bi-directional Path Tracing), metoda fotonových map.
- Spektrální trasování, mapování tónů.
- Další metody fotorealistického zobrazování scén.
- Další metody modelování a zobrazování těles (hraniční modely, CSG, distance function).
Cvičení na počítačové učebně:
- Načítání a reprezentace dat, podpůrné knihovny (např. Embree, OptiX).
- Implementace jednoduché kamery.
- Základní ray casting (A. Appel).
- Implementace difuzních materiálů a Phongova osvětlovacího modelu.
- Rozšíření materiálů o kovové povrchy (reflexe) a dielektrické materiály (refrakce a útlum), Whittedův rekurzivní ray tracing.
- Supersampling, gama korekce.
- Akcelerace výpočtu.
- Základní path tracing.
- Urychlování konvergence, implementace vybraných BRDF.
- Vzorkování zdrojů světla.
- Úprava grafického výstupu ray traceru (tone mapping).
Na cvičeních se řeší konkrétní úlohy z probrané oblasti. Implementačním jazykem je C++.
Podmínky absolvování předmětu
Podmínky absolvování jsou definovány pouze pro konkrétní verzi předmětu a formu studia
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky