Задание 4 (Раздаточные материалы)

Задание 4. Трассировка лучейАвтор задания: Груздев АлексейЦель задания - реализовать визуализацию сцены c полигональной геометрией припомощи алгоритма трассировки лучей. Предлагается визуализировать сцену интерьера,например, гостинную, спальню и т.п. В задании требуется использовать сложныегеометрические модели с разнообразными типами материалов. Необходимо реализоватьэффективный метод трассировки луча в сцене за счёт использования описывающихобъёмов. Также требуется обеспечить эффективное хранение высокополигональныхмоделей в памяти, не допуская лишнего копирования. В качестве дополнительной частипредлагаются варианты по улучшению скорости и качества синтеза, а такжепостэффектов.Правила оформления работыВнимание! При невыполнении указанных требований работа может не проверяться!Архив с заданием в формате zip должен быть залит в систему курса.

В случаепревышения максимального размера архива в системе нужно разбить его на частисредствами архиватора. Заливать архив на файлообменники можно только в случаеневозможностизалитьеговсистему,попредварительномусогласованиюспроверяющими.Содержимое архива:1.2.3.4.Папка src (исходный код)○ Файлы исходного кода○ Файлы проекта○ НЕ нужно включать в архив папку ipch, базы данных программы .ncb, .sdf.○ Проект должен собираться из папки srcПапка bin (исполняемый код - конфигурация Release, 32 бит).

Обязательнопроверьте, что программа запускается из папки bin. Желательно, на другоймашине.○ Исполняемый файл○ Библиотеки, необходимые для запуска○ Данные (модели, текстуры, файл настроек). Дублировать данные в папке src ненужно.Папка img (визуализированные изображения сцены)Файл Readme.txt○ Фамилия, имя, отчество, группа○ Операционная система○ Оборудование (процессор, видеокарта, объём памяти)○ Управление программой (формат задания настроек в файле настроек,описание интерфейса)○ Время работы программы для каждого варианта настроек○ Реализованные пункты из бонусной частиБазовая часть (5 баллов)Реализовать алгоритм трассировки лучей в сцене с полигональными объектами.Требуется создать сцену с не менее чем 10 объектами (более 200 треугольников каждый).Использование простых геометрических объектов (сферы, кубы) не засчитываются. Онимогут быть использованы как вспомогательные: пол в виде плоскости, яркая сфера наместе точечного источника света и т.п.

Разрешение результирующего цветногоизображения должно быть не менее 512х512 пикселей.1) Модели должны быть загружены из внешних файлов (.3ds, .obj и пр.) Допускаетсягенерация моделей в коде, но дожны использоваться математические формулы.Чтение из массива “захардкоденных” вершин не разрешается. У каждой моделидолжны быть корректные гладкие нормали.2) Необходимо реализовать простейший вариант камеры.Начало луча выбирается в позиции камеры, а направление выбирается длякаждого пикселя, как бы проходя через текущий пиксель через виртуальнуюкартинную плоскость перед камерой. Расстояние до виртуальной плоскостиопределяется выбранным углом обзора камеры (рекомендуется брать между 45 и60 градусами, если не уверены с чего начать). Камера не должна быть наклоненана бок.3) Трассировка лучей должна быть оптимизирована с помощью проверкипересечения с описывающими объёмами.

Не допускается поиск пересечениясразу со всеми треугольниками сцены. Каждый объект должен быть помещён вописывающую сферу или параллелепипед(Axis aligned bounding box). Сначалаищется пересечение луча со всеми описывающими объёмами в сцене. Затемсреди всех найденных выбирается наиболее близкий и рассчитываетсяпересечение луча со всеми полигонами объекта заключённого в выбранный объём.Если пересечение не найдено, то выбирается следующий по глубине объект.Обратите внимание, что красный параллелепипед со сторонами, параллельнымиосям координат (Axis aligned bounding box) предпочтительнее, так как с ним прощеискать пересечение луча.Для простоты можно размещать объекты на расстоянии друг от друга так, чтобыописывающие объёмы не пересекались.4) Требуется реализовать инстанциирование.

Т.е. в сцене должно быть несколькообъектов, использующих общий массив треугольников, а не собственные копии.Так как треугольники хранятся в локальных координатах, а луч долженпересекаться с объектами в мировых координатах, то необходимо переводить лучв локальные координаты каждого объекта, вместо того чтобы преобразовыватькаждый треугольник.Пусть- модельное преобразование локальныхкоординат объекта. Луч в мировых координатах задан парой позиции инаправления:). Чтобы получить луч в локальных(координатах, необходимо воспользоваться матрицей обратной к матрицепреобразования. Причём домножить направление луча надо на матрицу без учётапереноса, т.е.:()().К объектам должны быть применены различные преобразования. Требуется,чтобы было как минимум 2 повёрнутых и отмасштабированных объекта.

Объектыне должны быть слишком маленькими, то есть они должны быть различимы всцене на глаз.5) Обекты должны иметь как минимум 3 разных материала. Например, полностьюдиффузный, отражающий, бликующий, преломляющий. Также допускаетсяиспользование разных моделей освещения: Фонг, Ламберт, Кук-Торранс. Можноиспользовать табличную ДФО. (http://steps3d.narod.ru/tutorials/lighting-tutorial.html).В сцене должен присутствовать хотя бы один источник света.

Все источники светамогут быть точечными любого цвета.6) Результат работы трассировщика должен сохраняться во внешний файлформата .bmp или .png.Дополнительная часть(10 баллов)Внимание! Выполнение любого пункта дополнительной части не заменяет любой пунктбазовой части! Если реализована трассировка путей, это не значит что не надо делатьтрассировку лучей. Отрисовка в реальном времени не заменяет сохранение в файл.Поэтому все реализованные пункты дополнительной части должны конфигурироватьсячерез внешний текстовый (не бинарный!) файл настроек. У проверяющего должна бытьвозможность легко модифицировать файл, так чтобы в программе выполнялась толькобаза.

В ридми должно быть пояснение формата файла, как с ним работать. Текстурированные объекты (1-2.5 балла)Для объекта должны быть корректно заданы текстурные координаты и аккуратнопроинтерполированы внутри треугольниковОбратите внимание на необходимость реализации как минимум билинейнойинтерполяции при выборке из текстуры. При полном отсутствии фильтрации баллы затекстурирование могут быть снижены на 0.5.Билинейная - 1 баллТрилинейная - 1.5 баллаАнизатропная - 2.5 балла Реализация графа сцены (сценграфа) (2 балла)Позиционирование объектов в сцене происходит с помощью прикрепления объектов кузлам дерева.

Для каждой вершины могут быть заданы локальные преобразования(сдвиг, масштаб, поворот) относительно положения родительского узла. Передотрисовкой для каждой вершины высчитывается полное преобразование, с учётомвсех родительских узлов. Каждый объект использует полное преобразование тогоузла, к которому он прикреплён. К одной вершине графа может быть прикрепленолюбое количество объектов.В базе достаточно хранить все объекты в простом контейнере и задаватьпреобразования для каждого объекта отдельно. При наличие сценграфапреобразования задаются не для объектов, а только для вершин графа.В сцене должен явно использоваться сценграф. Например может быть задансоставной объект, состоящий из отдельный деталей.

(Дерево, робот, автомобильи.т.д.) Ускоряющие структуры (1-3 балла)Использование kd-дерева, BVH и других ускоряющих структур для ускорениятрассировки лучей. kd-дерево - 1-2 балла (в зависимости от алгоритма выбораплоскости разбиения; BVH - 2-3 в зависимости от эффективности описывающегообъёма (хороший описывающий объём - точно охватывающий геометрию идостаточно простой для поиска пересечения)(http://www.ray-tracing.ru/articles181.html, http://www.ray-tracing.ru/articles184.html) Моделирование глубины резкости (1.5 балл)Реализация через модель камеры с линзой. Изображение должно иметь областьрезкости и нечёткие области ближе и дальше фокуса, а не быть целиком размытым.Постобработка в виде размытия в зависимости от глубины не будет засчитана.

(см.пункт постэффектов) Ambient Occlusion (2 балла)http://www.ray-tracing.ru/articles232.html Трассировка путей (3-4 балла)Альтернативный алгоритм синтеза изображения вместо трассировки лучей. Незаменяет базовую часть, должна быть возможность переключения на трассировкулучей из базы.http://www.ray-tracing.ru/articles216.html HDR панорамы для моделирования фонового освещения (+1 балл) вдополнение к Ambient Occlusion и/или Path tracingИспользование куб-мапа или сферы вокруг сцены с натянутой текстуройпанорамы. Панорама считается бесконечно удалённой и, при выходе луча запределы сцены, значение освещённости выбирается из панорамы в соответствиис направлением луча. Параллелизм вычислений (1-3 балла)Использование OpenMP, pthreads, TBB, C++11 threads для параллельной генерацииизображения.

+1 баллВизуализация постепенного вычисления по блокам изображения в реальном времени+2 балла Генерация стереопары (1-2 балл)Рендеринг пары изображений из двух виртуальных камер. Для камер должна бытьреализованна корректная генерация лучейПозиции двух камер должны быть смещены, а картинная плоскость совпадать. У такихкамер используется искажённая пирамида видимости, а не симметричная, как упростой моно камеры. - 1 баллЕсли изображения сохранены в анаглифическое изображение или в виде gif анимации,то 2 балла. Антиалиасинг (1 балл)Например, выборка в пикселе нескольких точек и трассировка луча для каждой(multisampling). Тени (1-2 балла)Резкие тени - 1 баллМягкие тени - 2 балла Затухание света (1 балл)Интенсивность освещения от источника света должна убывать с расстоянием. Несколько источников света (1 балл) Объёмные источники света (2 балла)Использование источников света конечного размера.