====== Cvičení ======

===== Obecné informace =====

  * Úlohy se odevzdávají na serveru https://cw.felk.cvut.cz/upload/. Aktuální úloha musí být nahrána rovněž na server http://apg.courses.dcgi.fel.cvut.cz/. Týmy jsou pro úlohy již definovány. Odevzdávají se pouze zdrojové kódy.
  * Veškeré podvádění, zejména opisování a vydávání cizí práce z vlastní, bude přísně potrestáno. Viz [[http://dcgi.felk.cvut.cz/cs/study/akademicka_pravidla|Akademická pravidla]].
    * Zdrojové kódy jsou archivovány a podrobeny testům odhalujícím plagiáty.
    * Není přípustné, abyste nerozuměli předváděnému kódu a vymlouvali se na to, že ho programoval kolega z týmu - toto bude interpretováno jako vydávání cizí práce za vlastní.
    * Musíte být schopni na cvičení provést drobné úpravy v kódu podle požadavku cvičícího.

===== Osnova =====
^  ^ Datum ^ Cvičení ^
| 1. |  3.10. | Seznámení s obsahem cvičení \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg0.pdf|Organizační záležitosti]] |
| 2. |  10.10. | Rozdělení do týmů \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg1.pdf|Zadání úlohy 1]] |
| 3. |  17.10. | Práce na úloze 1 |
| 4. |  24.10. | Odevzdání úl. 1 \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg2.pdf|Zadání úlohy 2]] |
| 5. |  31.10. | Práce na úloze 2 \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/memory-management.pdf|Rychlokurs správy paměti]] |
| 6. |  7.11. | Odevzdání úl. 2 \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg3.pdf|Zadání úlohy 3]] |
| 7. |  14.11. | Práce na úloze 3 |
| 8. |  21.11. | Odevzdání úl. 3 \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg4.pdf|Zadání úlohy 4]] |
| 9. |  28.11. | Práce na úloze 4 |
| 10. |  5.12. | Odevzdání úl. 4 \\ [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg5.pdf|Zadání úlohy 5]] |
| 11. |  12.12. | Písemný test \\ Práce na úloze 5 |
| 12. |  19.12. | (//rozvrh pátek -- lichý týden//) \\ Odevzdání úl. 5 |
| 13. |  2.1. | Zápočet |
| 14. |  9.1. | //Rezerva// |

===== Organizace cvičení a bodování =====

  * Na cvičení jsou studenti rozděleni do dvoučlenných týmů.
  * Všechny týmy řeší 5 shodných úloh. Za každou úlohu lze získat 10 bodů + případné bonusy.
  * Podmínkou zápočtu je získání minimálně 30 bodů za řešené úlohy + test.
  * Hodnocení v rámci týmu je společné.
  * Jednotlivé úlohy budou odevdávány přes webovou aplikaci na adrese: http://apg.courses.dcgi.fel.cvut.cz/
  * Za nedodržení termínu odevzdání úlohy je penále 3 body za každý týden zpoždění.
    * Pozor! Záporné body nabíhají rychleji, než byste čekali - bodování je přísné.
    * Nikdy nespoléhejte na to, že úlohu vyřešíte v noci před odevzdáním.
  * Implementace realizujte v programovacím jazyce C/C++ buď na platformě Windows nebo Linux (potřebný projektový soubor nebo makefile je součástí balíčku testovací aplikace).
  * Kód musí být okomentovaný, přehledný, nestandardní situace musí být ošetřeny výpisem chybového hlášení.
  * SOUTĚŽ o nejrychlejší kód
    * vyhodnocení pro úlohy 1 až 3
    * testovací úlohu dodá cvičící
    * 1. místo ... bonus 3 body
    * 2. místo ... bonus 2 body
    * 3. místo ... bonus 1 bod

===== Jednoduchá grafická knihovna =====

  * Budete implementovat jednoduchou grafickou knihovnu podobnou OpenGL pro vykreslování 2D a 3D objektů nazvanou SGL (Simple Graphics Library).
  * Cílem je, abyste si osvojili základní grafické algoritmy a principy rasterizačního řetězce. Knihovna je obdobou OpenGL driveru - máme definované API, budeme postupně doplňovat jeho funkčnost a testovat ho pomocí testovací aplikace.

===== Jednoduchý ray tracer =====

  * Budete implementovat jednoduchý ray tracer v jazyce C++.
  * Ray tracer bude podporovat různá grafická primitiva (alespoň koule a trojúhelník) a základní osvětlovací model (alespoň Phong).
  * Cílem je, aby si každý samostatně vyzkoušel navrhnout architekturu ray traceru - snažte se o čistotu návrhu a kódu. Využijte přednosti objektového programování (polymorfismus, dědičnost, zapouzdření). Např. všechna grafická primitiva jsou odvozena ze stejné třídy, ale implementují jinak metodu pro nalezení průsečíku. Totéž pro osvětlovací modely.

===== Ke stažení =====

  * Rozhraní knihovny a základní implementace: [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/sgl.h|sgl.h]], [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/sgl.cpp|sgl.cpp]]
  * Svoji vlastní implementaci pište do souboru sgl.cpp.
  * Header sgl.h neměňte, je to pevně dané rozhraní mezi SGL a testovací aplikací.
  * V případě potřeby můžete použít i jiný hlavičkový nebo zdrojový soubor (např. context.h/context.cpp). <del>ale nepřidávejte žádné .cpp!</del>
  * [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/testappdoc/html/sgl_8h.html|Dokumentace SGL API]] (vygenerováno automaticky ze souboru sgl.h)
  * Testovací aplikace pro všechny úlohy pro Windows a Linux (GLUT): [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/testapp.zip|testapp.zip]]
    * Poslední verze souboru [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/testapp.cpp|testapp.cpp]]
    * kontexty s jednotlivými testy se přepínají klávesami 0 - 9
    * kontexty 0-2 jsou pro úlohu 1, ostatní pro úlohy 2 a 3
    * [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/testappdoc/html/testapp_8cpp.html|dokumentace]] k testovací aplikaci
    * [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/testapp.exe|testapp.exe]] pro Windows, neoptimalizovaná verze

===== Odkazy =====

  * Několik základních tříd pro práci s 3D vektory, definice paprsku: [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/pbrt_basic/|pbrt_basic]] (zdroj www.pbrt.org)
  * [[http://www.cs.utah.edu/%7Eshirley/books/fcg2/rt.pdf|Kapitola o ray tracingu z knihy P. Shirley et al. Fundamentals of Computer Graphics]]

===== Zadání úloh =====

==== Úloha 1 ====
=== Knihovna pro 2D grafiku, část A ===
[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg1.pdf|Zadání]]
  * Inicializace knihovny, návrh potřebných datových struktur
  * Vykreslení základních grafických elementů
    * Bod
    * Čára a lomená čára (Bresenhamův alg.)
    * Kružnice (Bresenhamův alg.)
    * Elipsa (sglEllipse()) a kruhový oblouk (sglArc())
      * aproximace elipsy pomocí 40 úseček
      * aproximace oblouku pomocí 40*(from-to)/(2 PI) úseček
      * BONUS:
        * adaptivní aproximace elipsy a oblouku s max. odchylkou 1 pixel (1 bod)
    * Transformace
      * Modelovací transformace (posunutí, otočení a změna měřítka)
      * Ortografická transformace (sglOrtho)
      * Transformace okno-výřez (viewport transformace)
      * Zásobník transformací

=== Referenční obrázky ===
grafické elementy\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test1a-ref.png?200x150|grafické elementy}}

transformace\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test1b-ref.png?200x150|transformace}}

zásobník transformačních matic\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test1c-ref.png?200x150|zásobník transformačních matic}}

==== Úloha 2 ====
=== Knihovna pro 2D grafiku, část B ===
[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg2.pdf|Zadání]]
  * Vyplňování nekonvexního polygonu
    * pár funkcí sglBegin(SGL_POLYGON) - sglEnd()
    * algoritmus musí zvládnout vyplnit sebeprotínající polygon
      * proto nelze použít semínkové vyplňování
  * Vyplňování kružnice, elipsy a oblouku.
  * Projekční trasformace (sglFrustum()).
  * Řešení viditelnosti pomocí z-bufferu.
  * Vykreslení 3D objektů načtených z [[http://www.fileformat.info/format/nff/spec/73edfe14899a415684320a2ba430b1c0/view.htm|NFF]] souboru.
    * O načtení dat ze souboru se postará dodaná testovací aplikace.
  * BONUS:
    * [[http://citeseer.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.3.211|výpočet osvětlovacího modelu na vrcholech polygonů]] (1 bod)

=== Referenční obrázky ===
vyplňování nekonvexního polygonu\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test2a-ref.png?200x150|vyplňování nekonvexního polygonu}}

vyplňování grafických elementů\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test2b-ref.png?200x150|vyplňování grafických elementů}}

rendering 3D scény - krychle se z-bufferem/bez něj\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test2c-ref.png?200x150|rendering 3D scény - krychle se z-bufferem/bez něj}}

rendering 3D scény - data z NFF\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test2d-ref.png?200x150|rendering 3D scény - data z NFF}}

==== Úloha 3 ====
=== Jednoduchý ray tracer, část A ===
[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg3.pdf|Zadání]]

  * Načtení scény ve formátu [[http://www.fileformat.info/format/nff/spec/73edfe14899a415684320a2ba430b1c0/view.htm|NFF]] ze souboru zařídí testovací aplikace.
  * Scéna je knihovně sgl předána pomocí volání funkcí (viz sgl.h).
  * Nastavení kamery provede testovací aplikace jako u rasterizace.
  * Generování primárních paprsků:
    * paprsky generovat pomocí inverze složené transformační matice
    * ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/invert-matrix.cpp|výpočet inverzní matice]], zdroj Numerical Recipies in C)
  * Průsečík paprsku s koulí (jeden z [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/ray-sphere.cpp|algoritmů]], zdroj http://www.devmaster.net/wiki/Ray-sphere_intersection)
  * Průsečík paprsku s trojúhelníkem (vyberte si z algoritmů [[https://www.cs.virginia.edu/~gfx/Courses/2003/ImageSynthesis/papers/Acceleration/Fast%20MinimumStorage%20RayTriangle%20Intersection.pdf|Moeller]], [[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/triangle-pbrt.cpp|PBRT]] - viz www.pbrt.org)
  * Vyhodnocení Phongova osvětlovacího modelu:
  * Je li z NFF načteno: f R G B Kd Ks S T IR,
  * pak rgb složky koeficientu difúzního odrazu pro Phongův model jsou [R*Kd G*Kd B*Kd]
  * a rgb složky koeficientu zrcadlového odrazu pro Phongův model jsou [Ks Ks Ks].
  * (Jinými slovy: odlesky mají vždy bílou barvu, nezávisle na difúzní barvě objektu.)
  * Při odevzdávání úloh chci vidět architekturu vašeho ray traceru načrtnutou na papíře (třídy, metody, dědičnost,  co se odkud volá).
  * BONUS:
    * adaptivní anti-aliasing (1 bod),
    * podpora více osvětlovacích modelů, např. [[http://inst.cs.berkeley.edu/~cs294-13/fa09/lectures/cookpaper.pdf|Cook-Torrance]] nebo [[http://www.graphics.cornell.edu/pubs/2005/Wal05.html|Ward]] (1 bod)

=== Testovací scény a referenční obrázky ===
koule ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test3/nff/sphere.nff|sphere.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test3a-ref.png?200x200|koule}}

Cornell box ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test3/nff/cornell.nff|cornell.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test3b-ref.png?200x200|Cornell box}}

koule na podlaze ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test3/nff/floor_sph.nff|floor_sph.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test3c-ref.png?200x200|koule na podlaze}}

==== Úloha 4 ====
=== Jednoduchý ray tracer, část B ===
[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg4.pdf|Zadání]]

  * Stínové paprsky
  * Sekundární paprsky: rekurzivní sledování paprsku
    * ideální zrcadlové odrazy, lomy ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/refract.cpp|fragment kódu pro výpočet směru lomeného paprsku]])
  * BONUS:
    * simulace hloubky ostrosti (1 bod)

=== Testovací scény a referenční obrázky ===
vržené stíny ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test4/nff/cornell-blocks.nff|cornell-blocks.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test4a-ref.png?200x200|vržené stíny}}

ideální zrcadlový odraz a lom ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test4/nff/cornell-spheres.nff|cornell-spheres.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test4b-ref.png?200x200|ideální zrcadlový odraz a lom}}

mnohonásobný ideální zrcadlový odraz a lom ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test4/nff/cornell-spheres-crazy.nff|cornell-spheres-crazy.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test4c-ref.png?200x200|mnohonásobný ideální zrcadlový odraz a lom}}

(Abyste dostali výsledky stejné jako v náhledu, je třeba brát v úvahu pouze průsečíky s přední stranou polygonu - pokud paprsek protne polygon ze strany odvrácené od normály, průsečík se neuvažuje. Max. hloubka rekurze 8.)

==== Úloha 5 ====
=== Jednoduchý ray tracer, část C ===
[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/PDF/seminar/apg5.pdf|Zadání]]

  * Plošné zdroje světla
    * Plošné zdroje světla definovány pomocí emisivního materiálu - viz sglEmissiveMaterial
    * Geometrie plošných zdrojů - trojúhelníky
    * Výpočet řešit vzorkováním plošného zdroje
    * Intensita světelného vzorku (použitá ve Phongově osvětlovacím modelu):
      * sample_i = (r,g,b)*cos fi*(light_triangle_area/num_samples)/(c0 + c1*d + c2*d^2)
    * cos fi = DotProd(light_triangle_normal, -shadow_ray.direction)

  * Osvětlení mapou prostředí
    * Mapa prostředí použita místo konstantní barvy pozadí - viz sglEnvironmentMap()
      * Načtení HDR mapy prostředí zařídí testapp.cpp
      * Více viz (www.debevec.org/Probes) 
      * Využívá rozšíření NFF "B" jmeno_soubor
    * Použít jak pro primární, tak pro sekundární paprsky
    * Používat mapu prostředí pro paprsky neprotínající žádný objekt - mapa prostředí nahrazuje barvu pozadí
    * Mapování ze směru paprsku dir do souřadnice v obrázku (u,v) [0,1]x[0,1]
      * d = sqrt(dir.x^2 + dir.y^2)
      * r = d>0 ? acos(dir.z)/(2*PI*d) : 0.0
      * u = 0.5 + dir.x * r
      * v = 0.5 + dir.y * r
  * BONUS:
    * podpora textur (2 body)

=== Testovací scény a referenční obrázky ===
plošný zdroj světla ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/cornell-blocks-arealight.nff|cornell-blocks-arealight.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test5a-ref.png?200x200|plošný zdroj světla}}

barevné plošné zdroje světla ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/cornell-blocks-arealight-color.nff|cornell-blocks-arealight-color.nff]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test5b-ref.png?200x200|barevné plošné zdroje světla}}

(V obou obrázcích je použito 16 paprsků na trojúhelníkovou plošku světelného zdroje.)

osvětlení mapou prostředí St. Peter's Basilica ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/basilica.nff|basilica.nff]]/[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/stpeters_probe.hdr|stpeters_probe.hdr]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test5c-ref.png?200x200|osvětlení mapou prostředí St. Peter's Basilica}}

osvětlení mapou prostředí St. Uffizi Gallery ([[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/uffizi.nff|uffizi.nff]]/[[https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/test5/nff/uffizi_probe.hdr|uffizi_probe.hdr]])\\ {{https://cent.felk.cvut.cz/courses/APG/results/test5d-ref.png?200x200|osvětlení mapou prostředí St. Uffizi Gallery}}