Cvičení

• 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 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.

• 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

• 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.

• 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.

• Rozhraní knihovny a základní implementace: sgl.h, 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). ale nepřidávejte žádné .cpp!
• Dokumentace SGL API (vygenerováno automaticky ze souboru sgl.h)
• Testovací aplikace pro všechny úlohy pro Windows a Linux (GLUT): testapp.zip
  • Poslední verze souboru testapp.cpp
  • kontexty s jednotlivými testy se přepínají klávesami 0 - 9
  • kontexty 0-2 jsou pro úlohu 1, ostatní pro úlohy 2 a 3
  • dokumentace k testovací aplikaci
  • testapp.exe pro Windows, neoptimalizovaná verze

• Několik základních tříd pro práci s 3D vektory, definice paprsku: pbrt_basic (zdroj www.pbrt.org)
• Kapitola o ray tracingu z knihy P. Shirley et al. Fundamentals of Computer Graphics

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

grafické elementy

transformace

zásobník transformačních matic

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 NFF souboru.
  • O načtení dat ze souboru se postará dodaná testovací aplikace.
• BONUS:
  • výpočet osvětlovacího modelu na vrcholech polygonů (1 bod)

vyplňování nekonvexního polygonu

vyplňování grafických elementů

rendering 3D scény - krychle se z-bufferem/bez něj

rendering 3D scény - data z NFF

Zadání

• Načtení scény ve formátu 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
  • (výpočet inverzní matice, zdroj Numerical Recipies in C)
• Průsečík paprsku s koulí (jeden z algoritmů, zdroj http://www.devmaster.net/wiki/Ray-sphere_intersection)
• Průsečík paprsku s trojúhelníkem (vyberte si z algoritmů Moeller, 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. Cook-Torrance nebo Ward (1 bod)

koule (sphere.nff)

Cornell box (cornell.nff)

koule na podlaze (floor_sph.nff)

Zadání

• Stínové paprsky
• Sekundární paprsky: rekurzivní sledování paprsku
  • ideální zrcadlové odrazy, lomy (fragment kódu pro výpočet směru lomeného paprsku)
• BONUS:
  • simulace hloubky ostrosti (1 bod)

vržené stíny (cornell-blocks.nff)

ideální zrcadlový odraz a lom (cornell-spheres.nff)

mnohonásobný ideální zrcadlový odraz a lom (cornell-spheres-crazy.nff)

(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.)

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)

plošný zdroj světla (cornell-blocks-arealight.nff)

barevné plošné zdroje světla (cornell-blocks-arealight-color.nff)

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

osvětlení mapou prostředí St. Peter's Basilica (basilica.nff/stpeters_probe.hdr)

osvětlení mapou prostředí St. Uffizi Gallery (uffizi.nff/uffizi_probe.hdr)