460-4078/02 – Počítačová grafika I (PG I)

Garantující katedraKatedra informatikyKredity4
Garant předmětuIng. Tomáš Fabián, Ph.D.Garant verze předmětuIng. Tomáš Fabián, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostvolitelný odborný
Ročník1Semestrzimní
Jazyk výukyangličtina
Rok zavedení2015/2016Rok zrušení
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
FAB038 Ing. Tomáš Fabián, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 10+0

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:

[1] Pharr, M., Jakob, W., Humphreys, G.: Physically Based Rendering, Third Edition: From Theory to Implementation, Morgan Kaufmann, 2016, 1266 pages, ISBN 978-0128006450. [2] Sojka, E.: Počítačová grafika II: metody a nástroje pro zobrazování 3D scén, VŠB-TU Ostrava, 2003 (ISBN 80-248-0293-7). [3] Sojka, E., Němec, M., Fabián, T.: Matematické základy počítačové grafiky, VŠB-TU Ostrava, 2011.

Doporučená literatura:

[1] Shirley, P., Morley, R. K.: Realistic Ray Tracing, Second Edition, AK Peters, 2003, 235 pages, ISBN 978-1568814612. [2] Akenine-Moller, T., Haines, E., Hoffman, N.: Real-Time Rendering, Third Edition, AK Peters, 2008, 1045 pages, ISBN 978-1568814247. [3] Dutré, P.: Global Illumination Compendium, 2003, 68 pages. [4] Ryer, A. D.: The Light Measurement Handbook, 1997, 64 pages.

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: 1. Fyzikální a matematické základy syntézy obrazu (světlo, radiometrické a fotometrické veličiny, barevné systémy). 2. Model kamery, hloubka ostrosti, afinní prostory a transformace, maticový zápis, změna báze, přechody mezi souřadnými systémy. 3. Metoda sledování paprsku (Ray Tracing), výpočet průsečíků těles s paprskem. 4. Základní typy materiálů, modely odrazu světla, textury, BRDF. 5. Mikroploškové modely (Cook-Torrance, Oren-Nayar), obecné BxDF. 6. Vícenásobné vzorkování a anti-aliasing, gamma korekce. 7. Urychlovací metody, akcelerační datové struktury a paralelizace. 8. Zobrazovací rovnice (Kajiya) a její řešení pomocí metod Monte Carlo. 9. Metoda sledování cest (Path Tracing), techniky snižování rozptylu (vzorkování po částech a podle důležitosti, ruská ruleta, next event estimation, přímé osvětlení). 10. Zdroje světla (vzorkování, image based lighting) 11. Obousměrné sledování cest (Bi-directional Path Tracing), metoda fotonových map. 12. Spektrální trasování, mapování tónů. 13. Další metody fotorealistického zobrazování scén. 14. Další metody modelování a zobrazování těles (hraniční modely, CSG, distance function). Cvičení na počítačové učebně: 1. Načítání a reprezentace dat, podpůrné knihovny (např. Embree, OptiX). 2. Implementace jednoduché kamery. 3. Základní ray casting (A. Appel). 4. Implementace difuzních materiálů a Phongova osvětlovacího modelu. 5. Rozšíření materiálů o kovové povrchy (reflexe) a dielektrické materiály (refrakce a útlum), Whittedův rekurzivní ray tracing. 6. Supersampling, gama korekce. 7. Akcelerace výpočtu. 8. Základní path tracing. 9. Urychlování konvergence, implementace vybraných BRDF. 10. Vzorkování zdrojů světla. 11. Dokončení implementace základního path traceru. 12. Úprava grafického výstupu ray traceru (tone mapping). 13. Rezerva na dopracování jednotlivých úloh. 14. Kontrola zadaných úloh. Na cvičeních se řeší konkrétní úlohy z probrané oblasti. Implementačním jazykem je C++.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2015/2016 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 45  20
        Zkouška Zkouška 55  6
Rozsah povinné účasti:

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2021/2022 (N0688A140015) Průmysl 4.0 P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2021/2022 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2020/2021 (N0688A140015) Průmysl 4.0 P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2020/2021 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika P angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika K angličtina Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika P angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán
2015/2016 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika K angličtina Ostrava 1 povinně volitelný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku