Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel computer graphics & visualization Shading & Lighting III Ambient Occlusion & Precomputed Radiance Transfer.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel computer graphics & visualization Shading & Lighting III Ambient Occlusion & Precomputed Radiance Transfer."—  Präsentation transkript:

1 Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel computer graphics & visualization Shading & Lighting III Ambient Occlusion & Precomputed Radiance Transfer

2 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Übersicht - Ambient Occlusion - Motivation - Funktionsweise - Dynamic Ambient Occlusion - Beispiele - Precomputed Radiance Transfer - Grundlagen - Rendering Equation - Neumann Expansion - Basisfunktionen - Funktionsweise - Transfered Incident Radiance - Beispiele

3 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion - Motivation Motivation: Vorhandene Beleuchtungsmodelle nicht ausreichend realitätsnah - Ambientes Licht: - Addiert festen Farbwert - keine Berücksichtigung von 3D-Geometrien - Diffuses und punktuelles Licht: - Nur mit sehr vielen Lichtquellen realistisch => sehr langsame Berechnung

4 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion - Grundlagen Grundlegendes: - Ambient Occlusion (dt. Umgebungsverdeckung) - Vorgestellt auf der SIGGRAPH Beobachtung: Ritzen und Ecken weisen geringere Beleuchtungsstärke auf - Grund: zahlreiche, diffuse Reflexionen an Engstellen Funktionsprinzip: - Einheitskugel aus Licht um komplette Szene - Licht wird nur durch Selbstverdeckung abgeschwächt/blockiert - 2 Berechnungsverfahren: Inside-Out / Outside-In

5 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion - Funktionsweise Funktionsweise (Inside-Out): 1. Strahl vom Betrachter auf eine Oberfläche mit einem Ambient- Occlusion-Shader 2. Zufälliges Aussenden von Strahlen innerhalb der Normalenhalbkugel für den Treffertest

6 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Funktionsweise (2) 3. Schritte 1 und 2 für alle Punkte auf der Fläche wiederholen. Dabei für jeden Punkt den Wert 1 – hitratio speichern. Dabei für jeden Punkt den Wert 1 – hitratio speichern. (Im Bsp. 2 / 6 = 1/3 ) 4. Das Verfahren auf alle Objekte der Szene anwenden. 5. Rendern als Intensität oder mit Environment-/Lightmap multiplizieren Keine scharfen Kanten!

7 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO Dynamic Ambient Occlusion (NVIDIA) - Echtzeitfähigkeit - Nicht begrenzt auf starre Objekte Vorgehensweise: 1. Vertices => orientierte Scheiben mit Position, Normale und Fläche

8 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO (2) 2. Front-Face: Licht wird ausgeschickt und reflektiert Back-Face: Licht wird durchgelassen und Schatten gesetzt Back-Face: Licht wird durchgelassen und Schatten gesetzt Vertex-Area: 1/3 der Fläche der anliegenden Dreiecke d.h. für ein Dreieck mit den Kanten a, b und c d.h. für ein Dreieck mit den Kanten a, b und c(Heron) wobei s der halbe Umfang des Dreiecks ist: wobei s der halbe Umfang des Dreiecks ist:

9 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO (3) 3. Position, Normale und Fläche => Texture Map Notwendig, um AO-Berechnungen im Pixel-Shader durchzuführen Berechnung von Animationen und Transformationen (z.B. object space -> world space) auf der Texture Map, um Zeit zu sparen 4. Berechnung der AO durch eine Schatten-Approximation (nach Landis2002)

10 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO (4) EEmitter-Surface RReceiver-Surface rStrecke zwischen den Mittelpunkten von E und R θ E Winkel zwischen E´s Normale und r θ R Winkel zwischen r und R´s Normale AFläche von E (1 - rsqrt( emitterArea / rSquared + 1 )) * saturate( dot( emitterNormal, v )) * saturate( 4 * dot( receiverNormal, v ));

11 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO Beispiel Dynamic Ambient Occlusion Beispiel: environment lighting + ambient occlusion + indirect lighting

12 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Ambient Occlusion – Dynamic AO Beispiel (2) Dynamic Ambient Occlusion Beispiel:

13 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Übersicht - Ambient Occlusion - Motivation - Funktionsweise - Dynamic Ambient Occlusion - Beispiele - Precomputed Radiance Transfer - Was ist PRT? - Rendering Equation - Neumann Expansion - Basisfunktionen - Funktionsweise - Beispiele

14 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT - Grundlagen Was ist Precomputed Radiance Transfer? - Ein Weg, um Objekte mit unterschiedlichen Beleuchtungen zu schattieren - Direktes & indirektes Licht, Kaustiken etc. - Jegliche Art von Transport - Eingeschränkte Echtzeit: Licht darf sich verändern - Beleuchtung aus allen Richtungen (env-map) - Beleuchtung weit entfernt - Evtl. Beschränkung des Lichts (z.B. implementationsabhänging nur niederfrequentes Licht) Was ist Precomputed Radiance Transfer nicht? - Kein globales Beleuchtungssystem für beliebige dynamische Szenen - Objekte müssen starr sein - Object-to-object-Interaktion beschränkt

15 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT - Ziele Ziele: - Beleuchtungsumgebungen: - Materialeigenschaften: - Transporteffekte:

16 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p d Strahlung von Punkt P in Richtung d

17 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p d Eigenstrahlung von Punkt P in Richtung d

18 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p d s Integral über die Richtungen s auf der Halbkugel über Punkt P

19 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p s Strahlung aus Richtung s zu Punkt P

20 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p s d BRDF von Punkt P für einkommende Strahlen s in Richtung d

21 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Rendering Equation Rendering Equation: p s NpNpNpNp Lambertsche Regel: Cosinus zwischen der Normalen und –s = dot( N p, -s )

22 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: Ausgehende Strahlung als unendliche Reihe

23 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: Direkter Lichteinfall auf P aus der Umgebung p

24 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: p

25 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: Visibility-Funktion p

26 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: p Alle Pfade von der Quelle mit einer Reflexion

27 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Neumann Expansion Neumann Expansion: p Alle Pfade von der Quelle mit i Reflexionen

28 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Basisfunktionen Basisfunktionen:Funktion: Einige Basisfunktionen: Projektion der Funktion in den Basisfunktions- Raum:

29 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Basisfunktionen (2) Basisfunktionen:Rekonstruktion: Approximation der Funktion (mit weniger Zahlen)

30 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Basisfunktionen (3) Basisfunktionen:Funktion:Projektion:Rekonstruktion: Für orthogonale Basisfunktionen gilt: Für orthonormale Basisfunktionen gilt:

31 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Grundlagen - Projektion von L und T auf orthonormale Basisfunktionen => Integral -> Skalarprodukt - Mögliche Basisfunktion: Spherical Harmonics - Orthonormal - Rotationsinvariant ->Keine Fluktuationen bei Animation der Lichtquelle ->Keine Aliasing-Probleme Transferfunktion: Die Antwort eines Objektes auf seine Beleuchtung kann als Funktion aufgefasst werden, die eingehende Strahlung auf ausgehende abbildet. Beleuchtungsfunktion: Die Lichtquellen können als Funktionen aufgefasst werden.

32 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – SH-Beispiel Beispiel von Spherical Harmonics: Rekonstruktion (N: Anzahl der Basisfunktionen) SH ähnlich Fourier-Transformation Vorteil: Kompakt und Blickwinkelunabhängig Nachteil: Problem mit Rekontruktion scharfer Kanten

33 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Funktionsweise Funktionsweise:Ausgangssituation: Objekt umgeben von einer entfernten Environment Map Ziel: L env (w) L out (p -> w) Berechnung durch lineare Operationen für jeden Punkt P Transfermatrix Transfermatrix

34 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – TIR Aber: - Spekulare Effekte - L out Blickrichtungsabhängig - BRDF nur für diffuse Komponente konstant - Neighbourhood-Transfer: - Berechnung des Einflusses von Objekt O auf ein anderes Objekt R (Reciever) zur Laufzeit Normalen des Objekts R unbekannt Normalen des Objekts R unbekannt Keine Vorberechnung von L out Keine Vorberechnung von L out Lösung: Transfered Incident Radiance

35 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – TIR (2) Transfered Incident Radiance: Berechnung der einfallenden Strahlung aus allen Raumrichtungen für jeden Punkt P der Szene - Unterschied zu L env in Verdeckung und Reflexion - Ummaskieren von L env in eine andere Funktion Produkt Projektion - Sphärische Funktion für jeden Punkt P - Neighbourhood-Transfer: Interpolation über die Berechnung der freien Raumpunkte

36 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – TIR (3) Transfermatrix: - Berechnung von L xfer aus L env 1. Offline-Berechnung der Matrizen 2. Bestimmung von L xfer zur Laufzeit 3. L out = Integration über L xfer mit BRDF * cos - lineare Abhängigkeiten - Formel: -, zur Laufzeit bekannt -, noch zu berechnen -, gesucht

37 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – TIR (4) Berechnung von : - Annahme: Beleuchtung nur durch die i-te Basisfunktion y i i-te Spalte approximiert die Erscheinung i-te Spalte approximiert die Erscheinung der Szene aus der Perspektive von P - Gesamte Beleuchtung: Linearkombination aller Basislichter aller Basislichter ( durch Vektor-Matrix-Multiplikation) - : direkte/indirekte Beleuchtung von P durch y i - Projektion von auf die j-te Basisfunktion von liefert Eintrag ji von T:

38 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Ablauf Vereinfachter Ablauf: 1. Offline-Berechnung der Transfermatrizen 2. Online-Berechnung von L xfer durch Transfermatrizen 3. Auswertung der BRDF 4. Berechnung der Outgoing Radiance = TIR + reflektierte Strahlung in P 5. Berechnung von L out in Punkt P

39 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel PRT – Beispiele Beispiele von PRT:

40 computer graphics & visualization Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel Fragen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Noch Fragen?


Herunterladen ppt "Hauptseminar - Computer Graphics Johannes Hummel computer graphics & visualization Shading & Lighting III Ambient Occlusion & Precomputed Radiance Transfer."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen