Bc. Martin Dušek. Fakulta elektrotechnická. Studijní program: Elektrotechnika a informatika strukturovaný magisterský

ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Cesk´ Fakulta elektrotechnická

Diplomová práce

Efektivn´ı zobrazov´ an´ı vlas˚ u a chlup˚ u Bc. Martin Duˇsek

Vedouc´ı práce: Ing. Jaroslav Kˇrivánek, Ph.D.

Studijn´ı program: Elektrotechnika a informatika strukturovan´ y magistersk´ y Obor: Informatika a v´ ypoˇcetn´ı technika kvˇeten 2008

iv

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych podˇekovat vedouc´ımu této práce Ing. Jaroslavu Kˇrivánkovi, Ph.D. za podnˇetné ˇ rady a pˇripom´ınky. D´ ale dˇekuji Jiˇr´ımu Stempinovi a Jiˇr´ımu Drahokoupilovi za spolupráci pˇri v´ yvoji osvˇetlovac´ıho modelu vlas˚ u. Dˇekuji také studiu UPP (Universal Production Partners), pˇredevˇs´ım Viktoru Plchovi za cenné pˇripom´ınky a testován´ı této práce. V neposledn´ı ˇradˇe patˇr´ı d´ık moj´ı matce za jazykovou korekturu textu. v

vi

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady uvedené v pˇriloˇzeném seznamu. Z d˚ uvodu komerˇcn´ıho vyuˇzit´ı pr´ ace odp´ırám udˇelit souhlas s uˇzit´ım tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu §60 Z´ akona ˇc. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych z´ akon˚ u (autorsk´ y zákon).

ˇ em Brodˇe dne 20.5. 2008 V Cesk´

.............................................................

vii

viii

Abstract This diploma thesis deals with efficient photo-realistic hair or fur rendering for a production high-quality rendering, which is mainly used in movies. The rendering of huge number of hair is still a difficult task for computer graphics. The goal of this thesis was an implementation of a technique for accelerating hair rendering with preserved visual quality. A large part of the thesis presents also the lighting models for photo-realistic hair rendering. The implementation is for a RenderMan-compliant renderer, which is nearly always used in production environment.

Abstrakt Tato diplomov´ a pr´ ace se zab´ yv´ a efektivn´ım foto-realistick´ ym zobrazován´ım vlas˚ u a chlup˚ u pro produkˇcn´ı vysoce kvalitn´ı vykreslován´ı, které se pouˇz´ıvá zejména ve filmovém pr˚ umyslu. Zobrazov´ an´ı velkého mnoˇzstv´ı vlas˚ u patˇr´ı i dnes k obt´ıˇzn´ ym u ´kol˚ um poˇc´ıtaˇcové grafiky. C´ılem práce byla implementace techniky pro zrychlen´ı vykreslován´ı vlas˚ u pˇri zachován´ı dostateˇcné vizu´ aln´ı kvality. Velk´ a ˇc´ ast práce se také vˇenuje osvˇetlovac´ım model˚ um, které se obvykle pouˇz´ıvaj´ı pro foto-realistické zobrazován´ı vlas˚ u. Implementace je urˇcena pro vykreslovac´ı program standardu RenderMan, kter´ y se témˇeˇr v´ yluˇcnˇe pouˇz´ıvá v produkˇcn´ım prostˇred´ı.

ix

x

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

xiii

Seznam tabulek

xv

´ 1 Uvod

1

2 Zobrazov´ an´ı vlas˚ u 2.1 Reprezentace vlas˚ u . . . . . . . . . . . 2.1.1 V´ alce . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 P´ asky . . . . . . . . . . . . . . ˇ ary . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 C´ 2.1.4 Textury . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modelov´ an´ı vlas˚ u . . . . . . . . . . . . 2.3 Algoritmy pro vykreslov´ an´ı . . . . . . 2.3.1 GPU Z-buffer . . . . . . . . . . 2.3.2 Sledov´ an´ı paprsku (ray tracing) 2.3.3 Reyes . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

3 3 3 4 4 4 4 5 5 6 7

3 Osvˇ etlovac´ı modely 3.1 Model Kajiya & Kay . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Dif´ uzn´ı sloˇzka . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Zrcadlov´ a sloˇzka . . . . . . . . . . . . . 3.2 Marschner˚ uv model . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Geometrie vlasu . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Funkce rozptylu . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1 Podéln´ a funkce rozptylu M . . 3.2.2.2 Azimut´ aln´ı funkce rozptylu N 3.3 Dalˇs´ı osvˇetlovac´ı modely . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

9 9 9 10 11 11 13 14 14 16

. . . . . . . . .

19 19 19 20 20 21 21 22 22 23

. . . . . . . .

25 25 26 27 28 29 29 30 30

4 Zjednoduˇ sov´ an´ı modelu vlas˚ u 4.1 Statické u ´rovnˇe detailu . . . . 4.2 Progresivn´ı modely . . . . . . 4.3 Textury . . . . . . . . . . . . 4.4 Stochastick´ a simplifikace . . . 4.4.1 Urˇcen´ı u ´rovnˇe detailu 4.4.2 Priorita vykreslov´ an´ı . 4.4.3 Zachov´ an´ı povrchu . . 4.4.4 Zachov´ an´ı kontrastu . 4.4.5 Plynul´ a animace . . . 5 Produkˇ cn´ı prostˇ red´ı 5.1 Autodesk Maya . . . . . . . . 5.2 Shave and a Haircut . . . . . 5.3 3Delight RenderMan . . . . . 5.3.1 St´ınovac´ı programy . . 5.3.2 Procedur´ aln´ı primitiva 5.3.3 Podm´ınˇené v´ yrazy . . 5.3.4 Dalˇs´ı rozˇs´ıˇren´ı . . . . 5.4 Tvorba a vykreslov´ an´ı vlas˚ u .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . xi

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . .

6 Implementace 6.1 Schéma funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 furSimplification – z´ asuvn´ y modul pro Mayu . 6.2.1 Struktura hlavn´ıho RIBu Shave . . . . . 6.2.2 Nastaven´ı pro st´ınov´ y pr˚ uchod . . . . . 6.2.3 Upraven´ y hlavn´ı RIB . . . . . . . . . . 6.2.4 Pˇr´ıkaz MEL pro Mayu . . . . . . . . . . 6.2.5 Uˇzivatelské rozhran´ı pro Mayu . . . . . 6.3 furProc.dll – procedur´ aln´ı DSO pro RenderMan 6.3.1 Struktura DLL . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Naˇcten´ı RIBu voxelu Shave . . . . . . . 6.3.3 Algoritmus stochastické simplifikace . . 6.3.4 V´ ystup do rendereru . . . . . . . . . . . 6.4 St´ınovac´ı programy . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Kajiya & Kay . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Marschner . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

31 32 33 33 34 34 36 37 38 39 39 42 43 44 45 46

7 V´ ysledky 7.1 Osvˇetlovac´ı modely . . . 7.2 Simplifikace . . . . . . . 7.2.1 Animovan´ y vlk . 7.2.2 Hromadn´ a scéna

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

49 49 51 51 53

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

8 Z´ avˇ er

59

9 Seznam literatury

61

A Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

63

B Uˇ zivatelsk´ a pˇ r´ıruˇ cka B.1 Instalace . . . . . . . . B.2 Nastaven´ı v Maye . . . B.3 Nastaven´ı simplifikace B.4 Log . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

65 65 65 66 67 69

xii

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 2.2 2.3 2.4

Typick´ a parametrizace vlasu, která se pouˇz´ıvá v poˇc´ıtaˇcové grafice. Srovn´ an´ı reprezentac´ı vlas˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mapy nepr˚ usvitnosti se vytváˇr´ı z pozice svˇetla. . . . . . . . . . . . Zjednoduˇsené schéma architektury reyes. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

3 4 6 7

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Geometrie vlasu modelu Kajiya & Kay. . . . . . Dif´ uzn´ı sloˇzka pouˇzit´ a ve filmu ,,Myˇsák Stuart”. Zrcadlov´ a sloˇzka Kajiya & Kay. . . . . . . . . . . Schématické zn´ azornˇen´ı vlasového vlákna. . . . . Porovn´ an´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u s reáln´ ymi vlasy. Souˇradn´ y systém vlasu je tvoˇren vektory ~u, ~v , w. ~

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

9 10 10 11 12 12

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Kolaps hrany ecol a inverzn´ı operace vsplit. . . . λ jako funkce b pro r˚ uzné hodnoty h. . . . . . . . Pro menˇs´ı hodnoty λ je vylouˇceno v´ıce element˚ u. Pˇr´ıklad problému zmˇeny kontrastu. . . . . . . . . Velikost vlas˚ u se sniˇzuje plynule. . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

19 21 22 23 23

5.1 5.2 5.3

Zjednoduˇsen´ a architektura editoru Maya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uk´ azka z aplikace Maya a nástroje Shave and a Haircut. . . . . . . . . . . . . . Koule vykreslen´ a pomoc´ı 3Delight RenderMan. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 26 28

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Schéma ˇretˇezce pro zobrazován´ı vlas˚ u se simplifikac´ı. . . . . . . . Grafické rozhran´ı pro atributy uzlu DG (nastaven´ı simplifikace). Porovn´ an´ı typ˚ u kˇrivek pˇri bliˇzˇs´ım pohledu. . . . . . . . . . . . . Struktura tˇr´ıdy pro uloˇzen´ı vˇsech vlas˚ u (kˇrivek). . . . . . . . . . Pracovn´ı prostˇred´ı surface shader v RenderMan. . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

32 38 40 41 44

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Porovn´ an´ı implementac´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u. . . . . . . . . Sloˇzky Marschnerova osvˇetlovac´ıho modelu. . . . . . . . . . . Marschner˚ uv model vˇcetnˇe zadn´ıho nasv´ıcen´ı (TT sloˇzka). . . Srovn´ an´ı simplifikace v detailn´ım pohledu s referenˇcn´ı scénou. Graf doby vykreslov´ an´ı z´ avˇereˇcného pr˚ uchodu. . . . . . . . . Vlk osvˇetlen´ y pomoc´ı modelu Kajiya & Kay. . . . . . . . . . Vlk osvˇetlen´ y pomoc´ı Marschnerova modelu. . . . . . . . . . Hromadn´ a scéna s vlky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hromadn´ a scéna s vlky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

49 49 50 51 54 55 56 57 58

B.1 Uˇzivatelské rozhran´ı pro nastaven´ı simplifikace. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

xiii

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

xiv

Seznam tabulek 3.1

Pouˇzité symboly pˇri v´ ypoˇctu azimutáln´ıch funkc´ı rozptylu N . . . . . . . . . . .

15

6.1 6.2 6.3

Popis parametr˚ u, které je tˇreba zapsat do RIBu. . . . . . . . . . . . . . . . . . Popis parametr˚ u pˇr´ıkazu RiCurves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Popis parametr˚ u prostˇred´ı surface shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36 41 44

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Porovn´ an´ı rychlosti osvˇetlovac´ıch model˚ u. Doba vykreslov´ an´ı sn´ımku 1. . . . . . . . Doba vykreslov´ an´ı sn´ımku 95. . . . . . . . Doba vykreslov´ an´ı sn´ımku 155. . . . . . . Doba vykreslov´ an´ı hromadné scény. . . . .

. . . . .

50 52 52 52 53

B.1 Popis parametr˚ u pro nastaven´ı simplifikace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 V´ yznam poloˇzek logu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66 67

xv

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

xvi

´ KAPITOLA 1. UVOD

1

´ 1 Uvod Dneˇsn´ı poˇc´ıtaˇcov´ a grafika jiˇz skoro nezná hranic. D˚ ukazem je hern´ı a filmov´ y pr˚ umysl. Souˇcasné trojrozmˇerné hry obsahuj´ı i efekty globáln´ıho osvˇetlen´ı, a vypadaj´ı tak velmi realisticky. Kaˇzd´ ym rokem doch´ az´ı d´ıky rychlému rozvoji hardware k dalˇs´ım pokrok˚ um v zobrazov´ an´ı poˇc´ıtaˇcové reality. Oproti poˇc´ıtaˇcov´ ym hrám nen´ı ve filmech nutné zobrazován´ı v reálném ˇcase, ale jeden sn´ımek se vykresluje tˇreba i nˇekolik minut. Jedn´ım z pˇrevratn´ ych film˚ u vytvoˇren´ ych v poˇc´ıtaˇci je ,,Final Fantasy: Esence ˇzivota” (Final Fantasy: The Spirits Within – Square Pictures 2001). Tento film se od vˇsech ostatn´ıch odliˇsuje, je cel´ y vytvoˇren v poˇc´ıtaˇci a jde o vˇernou simulaci reality. ,,Final Fantasy” byl prvn´ı film hran´ y umˇel´ ymi herci, kteˇr´ı ale nakonec byli opravdu troˇsku umˇel´ı oproti sv´ ym ˇziv´ ym konkurent˚ um. V tomto filmu se objevuje problém s modelován´ım a zobrazován´ım vlas˚ u, kdy na lidské hlavˇe je asi 50 000 aˇz 100 000 vlas˚ u. Takové mnoˇzstv´ı dokáˇze sluˇsnˇe zamˇestnat i dneˇsn´ı generaci poˇc´ıtaˇc˚ u. Nav´ıc vlasy maj´ı velmi mal´ y pr˚ umˇer (cca 0.1 mm), coˇz m˚ uˇze pˇri vykreslov´ an´ı zp˚ usobovat neˇz´ adouc´ı aliasing. Témˇeˇr v kaˇzdém novém filmu se dnes vyuˇz´ıvá speciáln´ıch efekt˚ u a postprodukce. Pro vˇerné zobrazen´ı lid´ı a zv´ıˇrat je tedy nutné modelovat i vlasy a chlupy v mnoˇzstv´ı, které odpov´ıd´ a realitˇe. V oblasti animovaného filmu nejde o zcela vˇerné zachycen´ı reality. Cel´ y film dnes ˇcasto vznik´ a v poˇc´ıtaˇci. Asi nejzn´ amˇejˇs´ı firma v této oblasti se jmenuje Pixar Animation Studios. Dneˇsn´ı animované filmy obsahuj´ı obrovské mnoˇzstv´ı detail˚ u, pˇr´ıkladem jsou rozmanité scenérie ve filmu ,,Auta” (Cars – Pixar 2006). Ve filmu ,,Ratatouille” (Pixar 2007) se nacház´ı dokonce dynamické hromadné scény plné animovan´ ych chlupat´ ych krys. Zde se opˇet objevuje problém s dlouhou dobou vykreslov´ an´ı chlup˚ u. Pr´ avˇe o tomto problému je tato diplomová práce. Aˇt uˇz se jedn´ a o animovan´ y film nebo o postprodukci, obˇe odvˇetv´ı pouˇz´ıvaj´ı stejné technologie (pˇredevˇs´ım standard RenderMan), a ˇreˇs´ı tedy i podobné problémy. V této diplomové pr´ aci se budu vˇenovat realistickému a efektivn´ımu zobrazován´ı velkého mnoˇzstv´ı vlas˚ u a chlup˚ u s d˚ urazem na moˇzné pouˇzit´ı v produkˇcn´ım prostˇred´ı. Hlavn´ı nápln´ı práce je zjednoduˇsov´ an´ı modelu chlup˚ u pˇri vykreslován´ı. C´ılem je vytvoˇrit aplikaci, kterou bude moˇzné pouˇz´ıt ve st´ avaj´ıc´ım produkˇcn´ım ˇretˇezci. Zde je nutné respektovat omezen´ı a moˇznosti jednotliv´ ych softwar˚ u. D˚ uleˇzité je také, aby vytvoˇrená aplikace pˇr´ıliˇs nemˇenila zaˇzité postupy v produkci. atce zab´ yv´ a reprezentac´ı vlas˚ u pro vykreslován´ı a vysvˇetluje pˇr´ıˇciny, proˇc je Kapitola 2 se kr´ zobrazov´ an´ı tak obt´ıˇzné. V kapitole 3 jsou uvedeny osvˇetlovac´ı modely pouˇz´ıvané pro zobrazen´ı vlas˚ u. Následuj´ıc´ı kapitola 4 je o metodách zjednoduˇsován´ı modelu pro efektivn´ı vykreslov´ an´ı. 5. kapitola se zab´ yv´ a aplikacemi, které se pouˇz´ıvaj´ı v produkˇcn´ım prostˇred´ım. Kapitola 6 se vˇenuje vlastn´ı implementaci v kontextu softwaru popsaného v pˇredchoz´ı ˇcásti. Posledn´ı kapitola 7 obsahuje v´ ysledky – nˇekolik pˇr´ıklad˚ u a mˇeˇren´ı rychlosti vykreslován´ı vlas˚ u a chlup˚ u.

2

´ KAPITOLA 1. UVOD

´ Í VLASU ˚ KAPITOLA 2. ZOBRAZOVAN

3

2 Zobrazov´ an´ı vlas˚ u 2.1

Reprezentace vlas˚ u

Nejprve se kr´ atce zm´ın´ım o moˇzn´ ych reprezentac´ıch vlas˚ u v poˇc´ıtaˇci. I kdyˇz pˇri pouˇzit´ı vykreslovac´ıho programu standardu RenderMan je nám vlastn´ı implementace skryta. Budu se zab´ yvat jen reprezentacemi, které se pouˇz´ıvaj´ı pro zobrazován´ı. Modelovac´ı fáze vˇetˇsinou pouˇz´ıvaj´ı r˚ uzné hladké kˇrivky, které se ale vˇzdy teseluj´ı na reprezentaci vhodnou pro vykreslován´ı. Kaˇzd´ y model vlas˚ u se skl´ ad´ a z jednotliv´ ych vlasov´ ych vláken, kde kaˇzdé vlákno je tvoˇreno segmenty. Jednotlivé reprezentace se liˇs´ı právˇe v definici vláken resp. segment˚ u. Na obrázku 2.1 je uk´ azka typické parametrizace vlasu, která se pouˇz´ıvá v poˇc´ıtaˇcové grafice. Vlas je pops´ an pomoc´ı ˇr´ıd´ıc´ıch vrchol˚ u, jejichˇz ˇretˇezec tvoˇr´ı segmenty. Prvn´ı vrchol, ze kterého vlas vyr˚ ust´ a, se naz´ yv´ a koˇren (root), posledn´ı vrchol ˇspiˇcka (tip). Kaˇzd´ y segment je tedy ~ urˇcen dvˇema body a smˇerov´ ym vektorem T (tangentou), kter´ y má typicky poˇcátek ve vrcholu, kter´ y je bl´ıˇze koˇrene. D´ ale je vlas popsán pr˚ umˇerem vlákna v ˇr´ıd´ıc´ıch vrcholech. Typicky jsou vlasy/chlupy ˇsirˇs´ı u koˇrene vlasu. M˚ uˇzou se hodit také informace o m´ıstˇe na povrchu, ~ srf ) a souˇradnice textury (s, t), ty lze pouˇz´ıt odkud vlas vyr˚ ust´ a – norm´ alov´ y vektor povrchu (N napˇr´ıklad pro urˇcen´ı barvy vlas˚ u z textury.

Špička T Segment

Nsrf

Řídící vrchol Průměr

Kořen s, t

Obr´ azek 2.1: Typick´ a parametrizace vlasu, která se pouˇz´ıvá v poˇc´ıtaˇcové grafice.

2.1.1

V´ alce

Nejobecnˇejˇs´ı reprezentac´ı vlasov´ ych vláken jsou tzv. zobecnˇené válce (generalized cylinders), obrázek 2.2a. Ty je moˇzné pˇr´ımo zobrazit napˇr´ıklad pomoc´ı metody sledován´ı paprsku [BK85], ˇcastˇeji se nejprve provede triangulace tˇechto válc˚ u [GM03].


4

Z obrázku 2.2b je vidˇet, ˇze na jedno vl´ akno je potˇreba pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı troj´ uheln´ık˚ u. Tato reprezentace se kv˚ uli své n´ aroˇcnosti pˇr´ıliˇs nevyuˇz´ıvá ani pˇri produkˇcn´ım vykreslován´ı. Vlasy jsou ˇcasto zobrazeny z pomˇernˇe velké dálky, takˇze je nen´ı nutné modelovat jako válce. 2.1.2

P´ asky

Pásky (ribbons) jsou polygony, které se otáˇc´ı do smˇeru pohledu (velmi podobné v poˇc´ıtaˇcové grafice znám´ ym billboard˚ um). P´ asky se pouˇz´ıvaj´ı pˇri zobrazován´ı v reálném ˇcase (zejména tam, kde nejsou podporov´ any ˇc´ ary s anti-aliasingem) [Kim03], ale i pˇri produkˇcn´ım vykreslován´ı (ˇcastá implementace pˇr´ıkazu RiCurves v RenderMan). Na obrázku 2.2c je vidˇet, ˇze pásky vyˇzaduj´ı mnohem menˇs´ı poˇcet troj´ uheln´ık˚ u neˇz válce. 2.1.3

ˇ ary C´

Vzhledem k tomu, ˇze jsou vlasy malé, m˚ uˇze b´ yt vlasové vlákno reprezentováno dvojrozmˇernou ˇcárou (viz obrázek 2.2d). Nˇekteré grafické systémy podporuj´ı kreslen´ı ˇcar s anti-aliasingem, ˇ ary se proto ˇcasto pouˇz´ıvaj´ı pˇri zobrazován´ı takov´ ym systémem je napˇr´ıklad OpenGL. C´ v reálném ˇcase [Kim03]. 2.1.4

Textury

Vlasy nemus´ı b´ yt explicitnˇe reprezentov´ any pomoc´ı skuteˇcn´ ych grafick´ ych primitiv. Lze pouˇz´ıt jednoduˇsˇs´ı reprezentaci pomoc´ı 2D ˇci 3D-volumetrick´ ych textur, které jsou naneseny na polygonáln´ı geometrii. Takov´ a reprezentace se vˇetˇsinou hod´ı jen pro velmi krátké chlupy. V´ıce o texturách v ˇc´ asti 4.3.

a)

b)

c)

d)

Obrázek 2.2: Srovn´ an´ı reprezentac´ı: a) zobecnˇené válce, b) triangulované válce, c) pásky, d) ˇcáry.

2.2

Modelov´ an´ı vlas˚ u

Pˇredchoz´ı ˇcást se zab´ yvala reprezentac´ı vlas˚ u, které je ovˇsem nutné vytvoˇrit – vymodelovat. Tato práce se soustˇred´ı pˇredevˇs´ım na zobrazován´ı, pˇresto uvád´ım alespoˇ n velmi struˇcné uveden´ı do problematiky.


5

Pˇri modelov´ an´ı se ˇcasto pracuje jen s velmi omezen´ ym mnoˇzstv´ım vlas˚ u, tzv. ˇr´ıd´ıc´ımi vlasy, které jsou ˇcasto reprezentov´ any hladk´ ymi kˇrivkami s ˇr´ıd´ıc´ımi body. Pouze tyto vlasy jsou ,,uˇcesány” do poˇzadovaného tvaru a animace (dynamika) se provád´ı také pouze s tˇemito vlasy. Tento pˇr´ıstup je v´ yhodn´ y, protoˇze je ménˇe v´ ypoˇcetnˇe nároˇcn´ y. Ostatn´ı vlasy, které jsou nutné pro vytvoˇren´ı realistického modelu, se z´ıskaj´ı interpolac´ı tˇechto ˇr´ıd´ıc´ıch vlas˚ u aˇz tˇesnˇe pˇred zobrazován´ım – vygeneruje se náhodná pozice (pravdˇepodobnost dána hustotou vlas˚ u) na povrchu, ze kterého vlasy vyr˚ ustaj´ı. Nové vlákno se z´ıská interpolac´ı nejbliˇzˇs´ıch soused˚ u. Proces generován´ı se opakuje, dokud nen´ı povrch modelu dostateˇcnˇe zarostl´ y. Pˇri modelov´ an´ı srsti krys ve filmu ,,Ratatouille” (Pixar 2007) se do posledn´ı chv´ıle pracuje s kompaktn´ı reprezentac´ı vlas˚ u, kterou tvoˇr´ı ˇr´ıd´ıc´ı kˇrivky a ostatn´ı vlasy jsou vygenerov´ any v poˇzadovaném mnoˇzstv´ı aˇz pˇri vykreslován´ı [Ryu07]. Modelován´ı vlas˚ u je samozˇrejmˇe souˇcást´ı grafick´ ych 3D editor˚ u jako je napˇr´ıklad Autodesk Maya (zásuvn´ y modul MayaFur nebo extern´ı zásuvn´ y modul Shave and a Haircut [Alt08]).

2.3

Algoritmy pro vykreslov´ an´ı

ˇ ım se vlasy odliˇsuj´ı od klasické polygon´ Proˇc je zobrazov´ an´ı vlas˚ u vlastnˇe tak nároˇcné? C´ aln´ı geometrie? Z´ akladn´ı problémy pˇri vykreslován´ı vlas˚ u jsou: • Vlas˚ u/chlup˚ u je ve scénˇe obvykle obrovské mnoˇzstv´ı (50 000 aˇz 100 000 pro jednoho ˇclovˇeka, stovky tis´ıc pro srst zv´ıˇrete). • Pr˚ umˇer vlasu je velmi mal´ y, jedn´ım pixelem obrázku tak ˇcasto procház´ı mnoho r˚ uzn´ ych vlas˚ u. Pˇri nedostateˇcném vzorkován´ı, tak vzniká neˇzádouc´ı aliasing. • Vlasy jsou ˇc´ asteˇcnˇe pr˚ uhledné, coˇz je d˚ uleˇzité pˇri ˇreˇsen´ı viditelnosti. • Vlasy vrhaj´ı st´ıny a to i na sebe sama – tzv. self-shadows. Nyn´ı uvád´ım tˇri algoritmy, které se pouˇz´ıvaj´ı pro vykreslován´ı (nejen) vlas˚ u s ohledem na uvedené problémy. 2.3.1

GPU Z-buffer

Pamˇeˇt hloubky [ZBSF04] se pouˇz´ıvá k vyˇsetˇren´ı viditelnosti zejména na GPU. Vlasy se zoˇ jako ˇc´ brazuj´ı bud ary nebo pruhy troj´ uheln´ık˚ u (pásky). Pro korektn´ı vykreslován´ı je ovˇsem nutné pouˇz´ıvat pr˚ uhlednost, takˇze Z-buffer (resp. jeho souˇcasnou implementaci na GPU) nen´ı moˇzné pouˇz´ıt. Pro spr´ avné m´ıch´ an´ı barev je totiˇz nutné, aby segmenty vlas˚ u byly nakresleny ve správném poˇrad´ı, tj. odzadu (nejdˇr´ıve nejvzdálenˇejˇs´ı). Pouˇz´ıvá se aproximativn´ı technika ˇrazen´ı segment˚ u podle vzd´ alenosti k pozorovateli [Kim03] a kreslen´ı s vypnut´ ym Z-bufferem. ˇ Casto je nutné zobrazovat pr˚ uhledné i nepr˚ uhledné povrchy. V tomto pˇr´ıpadˇe jsou nejprve vykresleny nepr˚ uhledné povrchy se zapnut´ ym Z-bufferem a pak se teprve kresl´ı seˇrazené pr˚ uhledné plochy. Jinou technikou pro kreslen´ı pr˚ uhledn´ ych objekt˚ u na GPU je tzv. depth peeling [Eve01], kdy se obrázek kresl´ı postupnˇe po vrstv´ ach. Tato technika vyˇzaduje pouˇzit´ı dvou Z-buffer˚ u, kdy druh´ y je na dneˇsn´ıch GPU nutné simulovat. Metoda je vhodná pouze pro mal´ y poˇcet pr˚ uhledn´ ych ploch, které se pˇrekr´ yvaj´ı, protoˇze kaˇzdá vrstva pˇredstavuje jeden vykreslovac´ı pr˚ uchod. Tud´ıˇz tuto techniku nelze efektivnˇe vyuˇz´ıt pro zobrazován´ı vlas˚ u.


6

Anti-aliasing polygon˚ u a ˇcar je pˇr´ımo podporován na GPU, malého pr˚ umˇeru vlas˚ u se ˇcasto dosáhne nastaven´ım malé pr˚ uhlednosti (pr˚ uhlednˇejˇs´ı polygon vypadá tenˇc´ı). Tato metoda ,,sniˇzován´ı pr˚ umˇeru vl´ akna” se pouˇz´ıv´ a i u ostatn´ıch n´ıˇze uveden´ ych algoritm˚ u. Celoobrazovkov´ y anti-aliasing (FSAA) nestaˇc´ı pouˇz´ıt samotn´ y vzhledem k opravdu velmi mal´ ym rozmˇer˚ um vlasu. Lze jej pouze kombinovat s anti-aliasingem polygon˚ u resp. ˇcar. Pro st´ıny ve vlasech se pouˇz´ıvaj´ı mapy nepr˚ usvitnosti (opacity maps) [KN01]. Metoda je zaloˇzena podobnˇe jako klasické st´ınové mapy na vykreslen´ı modelu z pozice svˇetla. V pˇr´ıpadˇe map nepr˚ usvitnosti se vytvoˇr´ı nˇekolik ˇrez˚ u, kde v kaˇzdém jsou vykreslené vlasy mezi t´ımto ˇrezem a svˇetlem (viz obr´ azek 2.3). Pˇri vykreslován´ı obrázku se interpolac´ı hodnot ze sousedn´ıch ˇrez˚ u urˇc´ı poˇcet vlas˚ u, které jsou mezi svˇetlem a aktuálnˇe zpracovávan´ ym fragmentem. Z této hodnoty se vypoˇc´ıt´ a velikost zast´ınˇen´ı. i

Obrázek 2.3: Mapy nepr˚ usvitnosti se vytváˇr´ı vykreslen´ım z pozice svˇetla s pouˇzit´ım nˇekolika ˇrez˚ u. Obrázek pˇrejat z [Kim03].

Zobrazován´ı vlas˚ u na GPU funguje v re´ alném ˇcase a pouˇz´ıvá se dnes i v poˇc´ıtaˇcov´ ych hrách. Nev´ yhodou je nepˇresné ˇreˇsen´ı viditelnosti a st´ın˚ u.

2.3.2

Sledov´ an´ı paprsku (ray tracing)

Metodu sledován´ı paprsku [ZBSF04] lze bez problém˚ u pouˇz´ıt pro zobrazován´ı vlas˚ u. S vyˇsetˇren´ım viditelnosti vˇcetnˇe pr˚ uhlednosti zde nen´ı problém a v´ ysledky jsou mnohem pˇresnˇejˇs´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe GPU. Pr˚ uhlednost je ˇreˇsena zaznamen´ an´ım vˇsech vlas˚ u, které prot´ınaj´ı primárn´ı paprsek, a jejich správn´ ym mixov´ an´ım. Pro odstranˇen´ı aliasingu je nutné pouˇz´ıt vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı paprsk˚ u na pixel, coˇz je hlavn´ı v´ ykonnostn´ı problém metody. Proto lze také, jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe, sniˇzovat opticky pr˚ umˇer vlas˚ u pomoc´ı pr˚ uhlednosti, potom m˚ uˇze staˇcit i menˇs´ı mnoˇzstv´ı paprsk˚ u. Pro st´ıny lze pouˇz´ıt techniku vrhnut´ı sekundárn´ıho st´ınového paprsku ke svˇetlu, kdy je ovˇsem stejnˇe jako u prim´ arn´ıho paprsku nutné uvaˇzovat vˇsechny vlasy mezi svˇetlem a vyˇsetˇrovan´ ym fragmentem. To m˚ uˇze b´ yt velmi pomalé, ˇcastˇeji se proto pouˇz´ıvaj´ı tzv. deep shadow maps [LV00]. Tyto st´ınové mapy se opˇet vytváˇr´ı z pozice svˇetla a maj´ı dvˇe velké v´ yhody – jsou


7

pˇredfiltrované a kaˇzd´ y pixel obsahuje pomˇernˇe pˇresnou funkci viditelnosti, coˇz nelze srovn´ avat s nˇekolika diskrétn´ımi ˇrezy v pˇr´ıpadˇe map nepr˚ usvitnosti. Nev´ yhodou mohou b´ yt o nˇeco vyˇsˇs´ı pamˇeˇtové n´ aroky. Metoda sledov´ an´ı paprsku je sice mnohem pˇresnˇejˇs´ı oproti GPU, co se viditelnosti a st´ın˚ u t´ yˇce, ale také mnohem pomalejˇs´ı. 2.3.3

Reyes

Ve vykreslovac´ıch programech standardu RenderMan se ˇcasto pouˇz´ıvá implementace scan-line zobrazovac´ıho algoritmu, kter´ y je znám jako reyes. Reyes byl vyvinut v 80. letech v Lucasfilm Ltd. (nyn´ı Pixar ) speci´ alnˇe pro filmov´ y pr˚ umysl [CCC87]. C´ılem bylo vytvoˇrit systém, kter´ y by bylo moˇzné vyuˇz´ıt pro vykreslován´ı velk´ ych sloˇzit´ ych realistick´ ych scén v pˇrijatelném ˇcase – pokud vykreslen´ı jednoho sn´ımku trvá tˇri minuty, potom dvouhodinov´ y film pˇri 24 sn´ımc´ıch za sekundu trv´ a pˇribliˇznˇe jeden rok, coˇz je povaˇzováno za pˇrijateln´ y ˇcas. Systém aproximuje mnoho efekt˚ u globáln´ıho osvˇetlován´ı pomoc´ı textur (napˇr´ıklad environment mapping a shadow mapping) a nemus´ı vyuˇz´ıvat pomal´ y ray tracing.

Obr´ azek 2.4: Zjednoduˇsené schéma architektury reyes. Architektura reyes je detailnˇe popsána napˇr´ıklad v [CCC87] nebo [Apo00]. Zde uvedu alespoˇ n struˇcn´ y v´ yklad této architektury, protoˇze tento algoritmus nen´ı tak znám´ y jako implementace Z-bufferu na GPU ˇci metoda sledován´ı paprsku.

8


Zjednoduˇsená architektura Reyes je na obrázku 2.4. Vstupem je soubor RIB (RenderMan Interface Bytestream), ze kterého jsou naˇcteny pˇr´ıkazy pro RenderMan (napˇr´ıklad definice geometrie). Algoritmus nejprve rozloˇz´ı vˇsechna geometrická primitiva na menˇs´ı kousky a odstran´ı ty, které se nach´ az´ı mimo v´ yseˇc kamery (frustum test). Menˇs´ı kousky jsou následnˇe rozloˇzeny na tzv. mikropolygony. Mikropolygony jsou ˇctyˇru ´heln´ıky, které maj´ı velikost strany asi 1/2 pixelu a dohromady vytv´ aˇr´ı mˇr´ıˇzku mikropolygon˚ u. Následuje aplikace st´ınovac´ıch program˚ u (shaders) na vrcholy mikropolygon˚ u. Pak teprve docház´ı k vyˇsetˇren´ı viditelnosti pomoc´ı Zbufferu. Pˇri zpracován´ı pr˚ uhledn´ ych povrch˚ u si algoritmus udrˇzuje nˇekolik záznam˚ u o viditelnosti v Zbufferu. To bohuˇzel m˚ uˇze znamenat dramatick´ y nár˚ ust pamˇeti implementace Z-bufferu. Pro zv´ yˇsen´ı v´ ykonu byl algoritmus doplnˇen o tzv. bucketing – obraz je na zaˇcátku rozdˇelen na malé ˇctvercové oblasti, které se vykresluj´ı samostatnˇe. Proto se pˇri vykreslován´ı v RenderMan v´ ysledn´ y obrázek objevuje po charakteristick´ ych ˇctverc´ıch. Nˇekteré st´ınovac´ı programy mohou b´ yt velmi nároˇcné na v´ ypoˇcet, proto byl reyes pozdˇeji také doplnˇen o occlusion culling, kdy docház´ı nejprve k ˇreˇsen´ı viditelnosti a aˇz poté k aplikace st´ınovac´ıch program˚ u. St´ınován´ı se tak provád´ı jen pro skuteˇcnˇe viditelné mikropolygony. Mezi v´ yhody architektury Reyes patˇr´ı napˇr´ıklad malé pamˇeˇtové nároky i v pˇr´ıpadˇe velk´ ych scén, velké moˇznosti paralelizace a vektorizace v´ ypoˇct˚ u (SIMD), podpora efekt˚ u rozostˇren´ı pohybem (motion blur ) a hloubky ostrosti (depth of field ). Reyes je tak hojnˇe vyuˇz´ıván v produkˇcn´ım prostˇred´ı. Jak si Reyes porad´ı se zobrazov´ an´ım vlas˚ u? D´ıky rozdˇelen´ı geometrick´ ych primitiv (tj. vˇsech segment˚ u vlas˚ u) do oblast´ı (bucket), doch´ az´ı ke zmenˇsen´ı pamˇeˇtov´ ych nárok˚ u a t´ım i ke zv´ yˇsen´ı rychlosti vykreslov´ an´ı. Zobrazov´ an´ı pr˚ uhledn´ ych ploch je podporováno (viz v´ yˇse) a pro st´ıny lze pouˇz´ıt deep shadow maps podobnˇe jako u metody sledován´ı paprsku. Aliasing se odstraˇ nuje opˇet vyˇsˇs´ım vzorkov´ an´ım a u ´pravou pr˚ uhlednosti vlasu m´ısto jeho pr˚ umˇeru. Reyes dává pˇresné ˇreˇsen´ı viditelnosti a st´ın˚ u podobnˇe jako metoda sledován´ı paprsku. Je sice v´ yraznˇe pomalejˇs´ı neˇz GPU, ale ˇcasto rychlejˇs´ı neˇz sledován´ı paprsku.

ˇ Í MODELY KAPITOLA 3. OSVETLOVAC

9

3 Osvˇ etlovac´ı modely Osvˇetlovac´ı model n´ am ˇr´ık´ a, jak´ ym zp˚ usobem se chová svˇetlo po dopadu na povrch daného materiálu. V r´ amci standardu RenderMan se osvˇetlovac´ı modely implementuj´ı pomoc´ı st´ınovac´ıch program˚ u (surface shaders), v´ıce v ˇcásti 6.4.

3.1

Model Kajiya & Kay

Tento osvˇetlovac´ı model poch´ az´ı z roku 1989 [KK89], pˇresto je pro svou jednoduchost nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı v hern´ım a dokonce i produkˇcn´ım prostˇred´ı. Kajiya & Kay uvaˇzuje dvˇe sloˇzky osvˇetlen´ı – dif´ uzn´ı a zrcadlovou. Dif´ uzn´ı komponenta je odvozena z Lambertova osvˇetlovac´ıho modelu, pokud jej aplikujeme na velmi tenk´ y válec. Zrcadlová komponenta je podobn´ a Phongovu modelu, kter´ y byl upraven pro válcové povrchy. Na obrázku 3.1 je nakreslena geometrie vlasu pro tento model.

E

L

T

~ je vektor ke svˇetlu Obrázek 3.1: Geometrie vlasu modelu Kajiya & Kay. T~ je tangenta vlasu, L ~ je vektor k pozorovateli. aE

3.1.1

Dif´ uzn´ı sloˇ zka

Dif´ uzn´ı komponentu osvˇetlovac´ıho modelu vlasu z´ıskáme integrac´ı Lambertova povrchu po obvodu poloviny v´ alce pˇrivr´ acené ke svˇetlu. Zadn´ı strana válce nen´ı osvˇetlená. Vzorec pro v´ ypoˇcet dif´ uzn´ı sloˇzky (odvozen´ı viz [KK89]): ~ Ψdiffuse = Kd sin (T~ , L)

(3.1)

~ vektor ke svˇetlu (viz obrázek 3.1). Velikost Kde Kd je velikost dif´ uzn´ı sloˇzky, T~ je tangenta a L dif´ uzn´ı sloˇzky tedy z´ avis´ı na sinu u ´hlu mezi tangentou a vektorem ke svˇetlu. Pokud je tangenta rovnobˇeˇzn´ a s vektorem ke svˇetlu, bude osvˇetlovan´ y vlas tmav´ y. ˇ Casto se pouˇz´ıv´ a jin´ y typ dif´ uzn´ı sloˇzky, protoˇze pˇredchoz´ı verze trp´ı nˇekolika nedostatky. Prvn´ı byl jiˇz zm´ınˇen – vlas je ˇcern´ y, pokud je rovnobˇeˇzn´ y se smˇerem ke svˇetlu, dále pak neintuitivn´ı chován´ı pro sv´ıcen´ı. Vlasy tak ˇcasto nevypadaj´ı pˇrirozenˇe. Následuj´ıc´ı pˇr´ıstup byl pouˇzit ve filmu ,,Myˇsák Stuart” (Stuart Little – Sony Pictures 1999) [Bre00]. Norm´ alov´ y vektor pro v´ ypoˇcet dif´ uzn´ı komponenty se z´ıská pomoc´ı tangenty vlasu a normálového vektoru povrchu, ze které vlas vyr˚ ustá (viz obrázek 3.2). Pokud je vlas kolm´ y na ~ srf , jinak se pouˇzije vektor N ~ hair . Oba vektory povrch, pouˇzije se norm´ alov´ y vektor povrchu N ~: lze sm´ıchat pomoc´ı line´ arn´ı interpolace. V´ ypoˇcet vektoru N


10

~ S ~ hair N l ~ N

= = = =

~ srf × T~ N ~ T~ × S ~ srf · T~ , 0, 1) clamp(N ~ ~ hair ) (l · Nsrf ) + ((1 − l) · N

(3.2)

~ se poté pouˇzije pro v´ N ypoˇcet dif´ uzn´ı komponenty pomoc´ı Lambertova modelu. V´ yhodou modelu je oˇcek´ avanˇejˇs´ı vzhled pˇri sv´ıcen´ı scény oproti klasickému Kajiya & Kay v´ ypoˇctu. Nsrf

Nh air

~ hair Obrázek 3.2: Dif´ uzn´ı sloˇzka pouˇzit´ a ve filmu ,,Myˇsák Stuart” se vypoˇc´ıtá pomoc´ı vektor˚ uN ~ resp. Nsrf . Obr´ azek pˇrekreslen podle [Bre00].

3.1.2

Zrcadlov´ a sloˇ zka

Kaˇzd´ y paprsek, kter´ y pˇrich´ az´ı na vlasové vlákno, se odráˇz´ı zrcadlovˇe podle tangenty (viz alov´ y vektor tenkého válce ukazuje do vˇsech smˇer˚ u, paprsek se obrázek 3.3). Protoˇze norm´ vlastnˇe odráˇz´ı do kuˇzelu. Vzorec pro v´ ypoˇcet zrcadlové sloˇzky (odvozen´ı viz [KK89]): ~ T~ · E) ~ + sin (T~ , L) ~ sin (T~ , E)] ~ p Ψspecular = Ks [(T~ · L)(

(3.3)

~ E ~ jsou vektory z obr´ Kde T~ , L, azku 3.3 a p je Phong˚ uv exponent specifikuj´ıc´ı ostrost odlesku.

E L

T

Obrázek 3.3: Zrcadlov´ a sloˇzka Kajiya & Kay. Paprsek se odráˇz´ı zrcadlovˇe do kuˇzelu, protoˇze normálov´ y vektor tenkého v´ alce ukazuje do vˇsech smˇer˚ u. V´ ysledky mé implementace modelu Kajiya & Kay jsou uvedeny v ˇcásti 7.1.


3.2

11

Marschner˚ uv model

Nová mˇeˇren´ı [MJC+ 03] rozptylu svˇetla ve vlasech ukázala nové efekty, které nejsou predikov´ any uhledn´ y standardn´ım modelem Kajiya & Kay (obrázek 3.5). Vlas je zde simulován jako pr˚ eliptick´ y v´ alec, jehoˇz vnitˇrek absorbuje urˇcitou ˇcást svˇetla. Povrch válce je tvoˇren pokoˇzkou, která je pokryta m´ırnˇe vych´ ylen´ ymi ˇsupinami (viz obrázek 3.4). R

Kořen

TRT

TT

Špička

Obrázek 3.4: Schématické zn´ azornˇen´ı vlasového vlákna a moˇzn´ ych cest rozptylu paprsku. Efekty predikované nov´ ym modelem: R (odraz) – prim´ arn´ı odraz. Paprsek je odraˇzen od povrchu vlasu zpˇet. Odraz závis´ı i na vych´ ylen´ı ˇsupin na povrchu vlasu. Tento odraz je b´ıl´ y a odpov´ıdá zrcadlové sloˇzce, kterou predikuje osvˇetlovac´ı model Kajiya & Kay. TT (lom, lom) – zadn´ı nasv´ıcen´ı. Paprsek se lom´ı pˇri vstupu do prostˇred´ı vlasu a pˇri v´ ystupu do volného prostoru. Vlasy (blond, b´ılé, hnˇedé a ˇsedé) se tak jev´ı velmi jasné, pokud jsou nasv´ıceny zezadu. TRT (lom, odraz, lom) – sekund´ arn´ı odraz. Barevn´ y sekundárn´ı odraz je um´ıstˇen nad prim´ arn´ım odrazem, vypad´ a jako tˇrpyt vlas˚ u. TT a TRT nejsou predikov´ any modelem Kajiya & Kay. Marschner˚ uv model vycház´ı z fyzik´ aln´ı anal´ yzy a neobsahuje proto empirickou dif´ uzn´ı sloˇzku, která je pˇr´ıtomna v modelu Kajiya & Kay. V praktickém st´ınovac´ım programu je ˇcasto dif´ uzn´ı sloˇzka implementována (viz ˇcást 7.1). Na obrázku 3.5 je porovn´ an´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u s reáln´ ymi vlasy. Nyn´ı se pod´ıvejme na rozbor Marschnerova modelu. Nezbytná teorie je uvedena v p˚ uvodn´ım + a se zde budu vˇenovat pouze nˇekter´ ym implementaˇcn´ım detail˚ um modelu. ˇclánku [MJC 03], j´ 3.2.1

Geometrie vlasu

Na obrázku 3.6 je pops´ ana geometrie vlasu. ~u je tangenta vlasu, která spolu s vektory ~v a w ~ tvoˇr´ı ortonorm´ aln´ı b´ azi. Vektor w ~ lze tedy spoˇc´ıtat pomoc´ı vektorového souˇcinu w ~ = ~u × ~v . Jak urˇcit vektor ~v ? Tento vektor mus´ı leˇzet v rovinˇe urˇcené vektorem ~u a mus´ı b´ yt spojit´ y v rámci kaˇzdého jednoho vlasu. Pˇri praktické implementaci tedy lze pouˇz´ıt náhodn´ y vektor, kter´ y je kolm´ y na ~u.


12

(a) Kajiya & Kay

(b) Marschner

(c) Reálné vlasy (foto)

Obrázek 3.5: Porovn´ an´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u s reáln´ ymi vlasy. (a) obsahuje dif´ uzn´ı sloˇzku a zrcadlov´ y odraz, (b) obsahuje b´ıl´ y primárn´ı odraz a nad n´ım um´ıstˇen´ y barevn´ y sekundárn´ı odraz. Obrázky pˇrejaty z [MJC+ 03].

w ωi θi

u

φi

φr

v

θr

ωr

Obrázek 3.6: Souˇradn´ y systém vlasu je tvoˇren vektory ~u, ~v , w. ~ Vektor ω~i je smˇer ke svˇetlu, ω~r + k pozorovateli. Obr´ azek pˇrejat z [MJC 03].

Máme-li vektor ~u = (ux , uy , uz ), potom jeden z kolm´ ych (jednotkov´ ych) vektor˚ u na ~u je: ~v =

(uy , −ux , 0) ||(uy , −ux , 0)||

(3.4)

Pro správnou funkˇcnost modelu je ovˇsem nutné, aby jednotlivé vlasy mˇely r˚ uzné (náhodné) smˇery vektor˚ u ~v . Je to kv˚ uli spr´ avné funkˇcnosti TRT komponenty, která je závislá právˇe na orientaci vektoru ~v . Pokud by vektory byly stejné, v sekundárn´ım odraze by se neobjevily kaustiky r˚ uzné intenzity, které zp˚ usobuj´ı tˇrpyt vlas˚ u. Vektor ~v je proto nutné randomizovat, napˇr´ıklad pomoc´ı n´ ahodné rotace kolem osy ~u. Vektory ke svˇetlu ω~i a k pozorovateli ω~r se transformuj´ı do souˇradného systému vlasu. Model pracuje se sférick´ ymi u ´hly: • θi resp. θr je inklinace (−90◦ aˇz 90◦ ; ~u je 90◦ , −~u je −90◦ , 0◦ v pˇr´ıpadˇe kolmosti na ~u). • φi resp. φr je azimut okolo vlasu (0◦ aˇz 360◦ ; ~v je 0◦ , w ~ je 90◦ ).


13

Pro osvˇetlovac´ı model se d´ ale hod´ı rozd´ılové a poloviˇcn´ı u ´hly: θd φ θh φh

= = = =

(θr − θi )/2 φr − φi (θr + θi )/2 (φr + φi )/2

(3.5)

Shrˇ nme si cel´ y postup v´ ypoˇctu u ´hl˚ u – na zaˇcátku známe pouze tangentu vlasu ~u = (ux , uy , uz ) a vektory ω~i (ke svˇetlu) a ω~o (k pozorovateli). Vˇsechny vektory jsou ve svˇetov´ ych souˇradnic´ıch. Urˇc´ıme vektor ~v podle vzorce (3.4) a w ~ = ~u × ~v . Sestav´ıme matici souˇradného systému:    

M1 = 

vx wx ux vy wy uy vz wz uz 0 0 0

0 0 0 1

    

(3.6)

Urˇc´ıme n´ ahodn´ yu ´hel α rotace, kter´ y mus´ı b´ yt shodn´ y vˇzdy pro cel´ y vlas (v´ıce v ˇcásti 6.4.2) a na souˇradn´ y systém aplikujeme rotaci: M2 = M1 ∗ MZ (α)

(3.7)

Kde MZ je standardn´ı matice pro rotaci kolem osy Z [ZBSF04]. Vypoˇc´ıtáme matici M3 , kter´ a bude slouˇzit pro transformaci vektor˚ u ω~i a ω~r do souˇradného systému vlasu. Jedná se o inverzn´ı matici k M2 , a protoˇze je souˇradn´ y systém ortonormáln´ı, odpov´ıdá také matici transponované: M3 = M2 −1 = M2 T = (M1 ∗ MZ (α))T

(3.8)

Transformujeme vektory ω~i a ω~r do souˇradného systému vlasu pomoc´ı matice M3 : ω~i 0 = M3 · ω~i ω~r 0 = M3 · ω~r

(3.9)

Vypoˇc´ıtáme sférické u ´hly: θ

= − arccos(ωz0 + π/2) ω0

φ = arctan( ωy0 )

(3.10)

x

´ Uhel φ by mˇel b´ yt upraven do intervalu h0◦ , 360◦ ). Dosazen´ım vektor˚ u ω~r 0 resp. ω~i 0 tak z´ısk´ ame θr , φr resp. θi , φi . Poté provedeme v´ ypoˇcet rozd´ılov´ ych a poloviˇcn´ıch u ´hl˚ u, kter´ y byl uveden ve vzorci (3.5). 3.2.2

Funkce rozptylu

Odchoz´ı kˇrivkov´ a radiance (viz ˇc´ ast 2.2 v [MJC+ 03]) se spoˇc´ıtá: Z

Lr (ω~r ) = D

S(ω~i , ω~r )Li (ω~i ) cos θi dωi Ω

Kde: • D je pr˚ umˇer vlasu (tlusté vl´ akno pˇrij´ımá v´ıce svˇetla neˇz tenké).

(3.11)


14

• S je funkce rozptylu podobn´ a BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) • Li je pˇr´ıchoz´ı radiance Uveden´ y integr´ al je pˇres celou sféru. Funkce rozptylu S, se spoˇc´ıtá jako (ˇcást 4.4 v [MJC+ 03]): S(φi , θi , φr , θr ) = SR · MR (θh ) · NR (η 0 (η, θd ); φ) / cos2 θd STT · MTT (θh ) · NTT (η 0 (η, θd ); φ) / cos2 θd 0 ∗ STRT · MTRT (θh ) · NTRT (η (η (φh ), θd ); φ) / cos2 θd

+ + (3.12)

Oproti p˚ uvodn´ımu ˇcl´ anku jsem pˇridal konstanty SR , STT a STRT , které urˇcuj´ı velikost jednotliv´ ych sloˇzek modelu. V´ ypoˇcet funkc´ı M a N je uveden dále. 3.2.2.1

Pod´ eln´ a funkce rozptylu M

Funkce MR , MTT a MTRT pˇredstavuj´ı z´ avislost odrazu v podélném smˇeru vlasu. Podle ˇcásti + 5.1 v [MJC 03] lze funkce aproximovat: MR (θh ) = g(βR ; θh − αR ) MTT (θh ) = g(βTT ; θh − αTT ) MTRT (θh ) = g(βTRT ; θh − αTRT )

(3.13)

Kde βx (podéln´ a ˇs´ıˇrka) resp. αx (podélné posunut´ı) jsou nastavitelné parametry a g(σ, x) je funkce Gaussova rozdˇelen´ı: 1 −x2 g(σ, x) = √ exp (3.14) 2σ 2 σ 2π Typické hodnoty podélného posunut´ı: αR ∈ (−10◦ , 10◦ ) αTT = −αR /2 αTRT = −3αR /2

(3.15)

βR ∈ (5◦ , 10◦ ) βTT = βR /2 βTRT = 2βR

(3.16)

Typické hodnoty podélné ˇs´ıˇrky:

3.2.2.2

Azimut´ aln´ı funkce rozptylu N

Aproximace azimut´ aln´ıch funkc´ı je mnohem sloˇzitˇejˇs´ı neˇz funkc´ı podéln´ ych, implementace m˚ uˇze ˇcinit znaˇcné problémy. Pro zv´ yˇsen´ı pˇrehlednosti této ˇcásti textu je zde tabulka 3.1 pouˇzit´ ych symbol˚ u. Teoretické odvozen´ı a v´ yznam v´ ypoˇct˚ u viz [MJC+ 03]. V´ ypoˇcty vˇsech N funkc´ı jsou si podobné, jen v´ ypoˇcet NTRT je na nˇekolika m´ıstech jin´ y. Nejprve vypoˇc´ıt´ ame indexy lomu podle vzorc˚ u: η0 η 00

q

= η 2 − sin2 θd / cos θd 2 = η / η0

Kde η je index lomu vl´ akna (typicky 1.55) a θd je rozd´ıl inklinac´ı ze vzorce (3.5).

(3.17)

ˇ Í MODELY KAPITOLA 3. OSVETLOVAC η σa a η 0 , η 00 p c γi γt T Fp D η∗

15

Index lomu vl´ akna (typicky 1.55) Absorpce vl´ akna (RGB) Excentricita elipsy vlákna (typicky 0.85) Indexy lomu podle rovnic (3.17) Parametr dle typu funkce N (0 pro NR , 1 pro NTT , 2 pro NTRT ) Promˇenn´ a podle rovnice (3.19) ´ Uhel z´ıskan´ y vyˇreˇsen´ım kubické rovnice (3.18) ´ Uhel z´ıskan´ y pomoc´ı aproximace Snellova zákona (3.20) Absorpce podle rovnice (3.21) Fresnelovy faktory podle rovnice (3.23) Hustota paprsku podle rovnice (3.27) Modifikovan´ y index lomu podle rovnice (3.29) pro v´ ypoˇcet NTRT

Tabulka 3.1: Pouˇzité symboly pˇri v´ ypoˇctu azimutáln´ıch funkc´ı rozptylu N . V prvn´ı ˇc´ asti tabulky jsou uvedeny nastavitelné parametry. Vyˇreˇs´ıme kubickou rovnici a z´ısk´ ame γi :

φ=

8pc 6pc − 2 γi − 3 γi3 + pπ π π

´ Uhel φ zn´ ame, mˇel by b´ yt ovˇsem pˇreveden do intervalu h−π, πi. následuj´ıc´ıch hodnot:

(3.18) Promˇenná p nab´ yv´ a

• p = 0 pˇri v´ ypoˇctu NR • p = 1 pˇri v´ ypoˇctu NTT • p = 2 pˇri v´ ypoˇctu NTRT Za c dosad´ıme: c = arcsin(1/η 0 )

(3.19)

Kubická rovnice m˚ uˇze m´ıt obecnˇe aˇz 3 ˇreˇsen´ı. Koˇreny, kdy γi vyjde mimo interval h−π/2, π/2i, ignorujeme. V pˇr´ıpadˇe funkc´ı NR a NTT vyjde vˇzdy pˇresnˇe jeden (validn´ı) koˇren, NTRT m˚ uˇze m´ıt 1 aˇz 3 koˇreny. Pomoc´ı aproximace Snellova z´ akona urˇc´ıme u ´hel lomeného paprsku: γt =

4c 3c γi − 3 γi3 π π

(3.20)

γi je koˇren kubické rovnice (3.18) a c viz vzorec (3.19). Absorpce svˇetla T se spoˇc´ıt´ a jako (na tomto m´ıstˇe v ˇclánku [MJC+ 03] je chybnˇe urˇcena délka cesty paprsku): σa0 = σa / cos(θ p d) (3.21) T = exp(− 2 + 2 cos(2γt ) σa0 ) Kde σa je absorpce vl´ akna (nastaviteln´ y parametr). Nastavovat absorpci m´ısto barvy je neintuitivn´ı, proto se ˇcasto pouˇz´ıv´ a barva a absorpce se potom vypoˇcte jako: σa = −k log hc

(3.22)


16

Kde hc je barva vlasu (RGB parametr) a k je kladná konstanta. V´ ysledná absorpce má, stejnˇe jako barva, tˇri sloˇzky (RGB) a m˚ uˇze nab´ yvat hodnot z intervalu (0, ∞). Zˇredˇen´ı d´ıky odrazu a lomu se spoˇc´ıt´ a pomoc´ı Fresnelov´ ych faktor˚ u. Zde se v´ ypoˇcet liˇs´ı podle typu funkce N : FR = fresnel(γi , γt , η 0 , η 00 ) FTT = (1 − fresnel(γi , γt , η 0 , η 00 ))2 FTRT = (1 − fresnel(γi , γt , η 0 , η 00 ))2 fresnel(γt , γi , 1/η 0 , 1/η 00 )

(3.23)

Fresnelovy faktory se vypoˇc´ıtaj´ı podle rovnice: fresnel(ρi , ρt , n1 , n2 ) =

Fp (ρi , ρt , n1 )2 + Fs (ρi , ρt , n2 )2 2

Fp je paraleln´ı sloˇzka:

(3.24)

Fp (ρi , ρt , n1 ) =

n1 cos ρi − cos ρt n1 cos ρi + cos ρt

(3.25)

Fs (ρi , ρt , n2 ) =

cos ρi − n2 cos ρt cos ρi + n2 cos ρt

(3.26)

Fs je kolmá sloˇzka:

Zb´ yvá vypoˇc´ıtat hustotu paprsku (ray density) pomoc´ı derivace kubické rovnice (3.18), kde h = sin γi : −1 6pc dφ dφ −1 24pc 2 1 −1 = 2 D = 2 = 2 − 2 − 3 γi ) dh dγi cos γi π π cos γi

(3.27)

A koneˇcnˇe v´ ysledn´ y vzorec pro v´ ypoˇcet funkc´ı N (NR = N0 , NTT = N1 a NTRT = N2 ), v sumˇe se sˇc´ıtá pˇres vˇsechny validn´ı koˇreny r: Np =

X

Fp · T p · D

(3.28)

r

Jak jsem zm´ınil na zaˇc´ atku, v´ ypoˇcet NTRT vyˇzaduje jeˇstˇe nˇekolik u ´prav. Za prvé je nutné pouˇz´ıt modifikovan´ y index lomu η ∗ m´ısto η ve vzorc´ıch (3.17): η1∗ = 2(η − 1)a2 − η + 2 η2∗ = 2(η − 1)a−2 − η + 2 η ∗ = 12 [(η1∗ + η2∗ ) + cos(2φh )(η1∗ − η2∗ )]

(3.29)

Kde a je excentricita elipsy (typicky 0.85). Dalˇs´ı u ´pravou je odstranˇen´ı ostr´ ych singularit v NTRT , tzv. smooth caustic. Procedura je uvedena v ˇcásti 5.2.2 ˇcl´ anku [MJC+ 03]. V´ ysledky mé implementace Marschnerova modelu jsou uvedeny v ˇcásti 7.1.

3.3

Dalˇ s´ı osvˇ etlovac´ı modely

Marschner˚ uv model d´ av´ a dobré v´ ysledky zejména u tmav´ ych (hnˇed´ ych, ˇcern´ ych) vlas˚ u. Horˇs´ıch v´ ysledk˚ u dosahuje na vlasech svˇetl´ ych (blond). Existuje rozˇs´ıˇren´ı Marschnerova modelu pro blond vlasy [ZSW04]. Dalˇs´ı zobecnˇen´ı osvˇetlovac´ıho modelu vlas˚ u je BFSDF (Bidirectional


17

Fiber Scattering Distribution Function) [Zin07], kde vlasy jsou vlastnˇe jen jedn´ım z typ˚ u vl´ aken podobnˇe jako napˇr´ıklad tkanina. Na GPU byl Marschner˚ uv model implementován pomoc´ı pˇredpoˇc´ıtán´ı hodnot modelu pro r˚ uzné u ´hly do textury. Poprvé se tak stalo v demu ,,Nalu” (NVidia 2000) [PF05]. Model je zde ovˇsem zjednoduˇsen: TRT sloˇzka je aproximována pomoc´ı TT a základn´ı barva vˇsech vlasov´ ych vl´ aken je stejná, coˇz nen´ı u ´plnˇe realistické. Jinou cestou jsou r˚ uzné aproximativn´ı modely. Fotorealistické osvˇetlovac´ı modely b´ yvaj´ı bohuˇzel pomˇernˇe dost sloˇzité a v´ ypoˇcetnˇe nároˇcné. Proto se nijak zvláˇsˇt nehod´ı pro zobraˇ zován´ı v re´ alném ˇcase na GPU. Casto se tedy pouˇz´ıvá model Kajiya & Kay, kter´ y je doplnˇen r˚ uzn´ ymi aproximacemi efekt˚ u, které predikuje Marschner. Napˇr´ıklad v demu ,,Ruby: The Double Cross” (ATI 2004) je pouˇzita dif´ uzn´ı a zrcadlová sloˇzka Kajiya & Kay a d´ ale je aproximov´ an sekundárn´ı odraz (TRT) pomoc´ı ˇsumové textury [Sch04]. Ve filmu ,,101 Dalmatin˚ u” (101 Dalmatians – Industrial Light and Magic 1996) byl zase Kajiya & Kay model doplnˇen o aproximaci efektu zadn´ıho nasv´ıcen´ı [Gol97]. ´ Upln´ a aproximace vˇsech efekt˚ u Marschnerova modelu je uvedena napˇr´ıklad v [Kan04], bohuˇzel chyb´ı pˇresnˇejˇs´ı srovn´ an´ı s p˚ uvodn´ım modelem, zejména pak efektu zadn´ıho nasv´ıcen´ı vlas˚ u.

18


ˇ AN ´ Í MODELU VLASU ˚ KAPITOLA 4. ZJEDNODUSOV

19

4 Zjednoduˇ sov´ an´ı modelu vlas˚ u V kapitole 2 jsem vysvˇetlil, proˇc je zobrazován´ı vlas˚ u tak nároˇcné. Nˇekdy je moˇzné pouˇz´ıt zjednoduˇsen´ y model vlas˚ u a t´ım vykreslován´ı v´ yznamnˇe urychlit. Napˇr´ıklad pokud je chlupat´ y objekt ve velké vzd´ alenosti od kamery. Takov´ y pˇr´ıstup je v poˇc´ıtaˇcové grafice znám´ y jako u ´roveˇ n detailu LOD (level of detail ). Pokud je model bl´ızko ke kameˇre, pouˇz´ıvá se detailn´ı model – pokud je naopak d´ ale od kamery, lze pouˇz´ıt model zjednoduˇsen´ y. V této kapitole uvedu nˇekolik technik, které se pouˇz´ıvaj´ı v poˇc´ıtaˇcové grafice pro zjednoduˇsov´ an´ı model˚ u. Zamˇeˇr´ım se hlavnˇe na techniky pouˇzitelné pro problém vlas˚ u. Vˇetˇsina existuj´ıc´ıch technik je bohuˇzel urˇcena sp´ıˇse pro klasické polygonáln´ı modely, které se ovˇsem chovaj´ı odliˇsnˇe oproti vlas˚ um.

4.1

Statick´ eu ´ rovnˇ e detailu

Je vytvoˇreno nˇekolik model˚ u, které reprezentuj´ı nˇekolik u ´rovn´ı detailu (tzv. diskrétn´ı stupnˇe [ZBSF04]). Mezi tˇemito modely se poté pˇrep´ıná podle vzdálenosti od kamery. Tento pˇr´ıstup je vyuˇzit napˇr´ıklad v jazyce VRML (Virtual Reality Modeling Language) a teoreticky jej lze pouˇz´ıt i pro problém zobrazov´ an´ı vlas˚ u. Má ovˇsem hned nˇekolik nev´ yhod. Mus´ı b´ yt vymodelov´ ano nˇekolik model˚ u, coˇz m˚ uˇze b´ yt pomˇernˇe pracné a nav´ıc modely zab´ıraj´ı m´ısto v pamˇeti. Nejvˇetˇs´ı problém je pˇrechod mezi dvˇema u ´rovnˇemi detailu, kde ˇcasto doch´ az´ı k vizuáln´ım artefakt˚ um (tzv. popping effect). To nemus´ı vadit pˇri zobrazován´ı v reálném ˇcase, ale v produkˇcn´ım prostˇred´ı to ˇcin´ı tuto metodu nepouˇzitelnou.

4.2

Progresivn´ı modely

Nedostatky pˇredchoz´ı metody odstraˇ nuj´ı spojité stupnˇe detailu, napˇr´ıklad progresivn´ı modely (progressive meshes) [Hop96]. Polygonáln´ı model je vymodelován v pln´ ych detailech a poté je na nˇej nˇekolikr´ at aplikov´ ana operace kolaps hrany (viz obrázek 4.1), která je invertibiln´ı. Do souboru se potom ukl´ ad´ a nejv´ıce zjednoduˇsená verze modelu a inverze vˇsech proveden´ ych operac´ı. Na z´ akladˇe pozice kamery se dynamicky urˇcuje u ´roveˇ n detailu modelu. Model se proto nemˇen´ı skokovˇe, ale po jednotliv´ ych operac´ıch kolaps hrany.

ecol

vt vl

vl

vr

vs

vr

vs vsplit Obr´ azek 4.1: Kolaps hrany ecol a inverzn´ı operace vsplit. Obrázek pˇrejat z [Hop96].

Hrany pro operaci kolaps pˇri zjednoduˇsován´ı je nutné vyb´ırat s ohledem na topologii modelu, vyuˇz´ıvaj´ı se r˚ uzné chybové metriky [Hop96].


20

Tato metoda se nijak zvl´ aˇsˇt nehod´ı pro zjednoduˇsován´ı vlas˚ u, kde reprezentace vlas˚ u je odliˇsná od uzavˇren´ ych polygon´ aln´ıch povrch˚ u.

4.3

Textury

Zjednoduˇsenou geometrii lze reprezentovat pomoc´ı 2D ˇci 3D textur. Pouˇz´ıvaj´ı se napˇr´ıklad impostory ˇci billboardy [ZBSF04]. Obr´ azek (textura), kter´ y reprezentuje sloˇzitou geometrii, je namapován na jednoduch´ y polygon, kter´ y se natáˇc´ı smˇerem ke kameˇre. Je zde problém, kdyˇz se kamera v´ yraznˇe pohybuje nebo je zjednoduˇsovan´ y model animovan´ y. Tyto metody maj´ı pouˇzit´ı sp´ıˇse pˇri zobrazov´ an´ı v re´ alném ˇcase. Ve filmu ,,101 Dalmatin˚ u” (101 Dalmatians – Industrial Light and Magic 1996) byl pouˇzit pravdˇepodobnostn´ı model pro reprezentaci chlup˚ u nˇekter´ ych dalmatin˚ u dále od kamery [Gol97]. Metoda tak nepracuje se skuteˇcnou geometri´ı, ale chlupy jsou reprezentovány texturou, která je nanesena na trojrozmˇern´ y polygon´ aln´ı model. Kromˇe pouˇzit´ı textur je moˇzné srst vytváˇret procedurálnˇe aˇz pˇri vykreslov´ an´ı modelu (napˇr´ıklad ve st´ınovac´ım programu). Do textur se ukl´ adaj´ı r˚ uzné parametry, které jsou potˇrebné pro v´ ypoˇcet osvˇetlen´ı (napˇr´ıklad tangenty, hustota chlup˚ u, velikost dif´ uzn´ı sloˇzky, atd.). Pr˚ uhlednost i st´ıny (self-shadows) chlup˚ u jsou aproximov´ any také na z´ akladˇe hodnot uloˇzen´ ych v textuˇre. Reprezentace chlup˚ u je tak silnˇe prov´ az´ ana s pouˇzit´ ym osvˇetlovac´ım modelem. Nev´ yhodou techniky je omezenost na velmi krátké chlupy a vykreslovan´ y objekt mus´ı b´ yt v pomˇernˇe velké vzd´ alenosti od kamery – pˇri bliˇzˇs´ıch pohledech je totiˇz pouˇzita stejná reprezentace (nejedná se o u ´rovnˇe detailu). Dalˇs´ı moˇznost´ı je vyuˇz´ıt 3D-volumetrické textury, kdy chlupy jsou uloˇzeny v 3D textuˇre. Tyto metody b´ yvaj´ı ovˇsem pamˇeˇtovˇe velmi nároˇcné, d´ıky nutnosti ukládat detailn´ı voxelovou reprezentaci chlup˚ u [CHPR07]. Také animace chlup˚ u zde b´ yvá problematická. Prvn´ı pouˇzit´ı volumetrick´ ych textur navrhl uˇz Kajiya & Kay v ˇclánku [KK89]. Model byl dále rozˇs´ıˇren o moˇznost pˇredfiltrov´ an´ı textur (mip-mapping) a jednoduché animace na u ´rovni volumetrick´ ych textur [Ney98].

4.4

Stochastick´ a simplifikace

Idea stochastické simplifikace je velmi jednoduchá. Mˇejme mnoˇzinu vlas˚ u, z n´ıˇz náhodnˇe vybereme ˇcást vlas˚ u, které budou vylouˇceny (nevykresleny). Ostatn´ı vlasy budou zobrazeny. Aby se nezmˇenila plocha modelu vlas˚ u, je nutné upravit (zvˇetˇsit) pr˚ umˇer vykreslovan´ ych vlas˚ u. Statistické vlastnosti scény tak z˚ ust´ avaj´ı zachovány. Tento postup jsem se rozhodl realizovat, protoˇze oproti ostatn´ım má nˇekolik v´ yhod: • Pouˇzitelnost na kr´ atké i delˇs´ı chlupy (vlasy) ´ • Urovnˇ e detailu (LOD) • Spojit´ y pˇrechod mezi u ´rovnˇemi detailu • Jednoduch´ y algoritmus Nyn´ı následuje struˇcn´ y popis této metody, detaily viz [CHPR07]. Aby algoritmus fungoval, je nutné zohlednit pˇet aspekt˚ u: Urˇ cen´ı u ´ rovnˇ e detailu. Urˇcen´ı poˇctu vlas˚ u, které je tˇreba vylouˇcit.


21

Priorita vykreslov´ an´ı. Urˇcen´ı poˇrad´ı, ve kterém se vlasy vyluˇcuj´ı. ´ Zachov´ an´ı povrchu. Uprava pr˚ umˇeru vlas˚ u, aby v´ ysledná plocha byla stejná. ´ Zachov´ an´ı kontrastu. Uprava barvy vlas˚ u, aby v´ ysledn´ y kontrast byl stejn´ y. Plynul´ a animace. Plynulé mizen´ı vlas˚ u pˇri animaci m´ısto skokového. V´ ysledky implementace jsou uvedeny v ˇcásti 7.2. 4.4.1

Urˇ cen´ı u ´ rovnˇ e detailu

Pro kaˇzd´ y vykreslovan´ y model je nutné urˇcit u ´roveˇ n detailu (0 aˇz 1 – pln´ y detail). Lze zohlednit mnoho aspekt˚ u, napˇr´ıklad vzd´ alenost od kamery, rozostˇren´ı pohybem (motion blur ), hloubku ostrosti (depth of field ), atd. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je vzdálenost od kamery. Kaˇzd´ y vykreslovan´ y objekt m´ a svoji hraniˇcn´ı obálku (bounding box ). Velikost simplifikace ˇ ım menˇs´ı bude záviset na aktu´ aln´ım poˇctu pixel˚ u B – obálky viditeln´ ych pˇri vykreslován´ı. C´ poˇcet pixel˚ u ob´ alka zab´ır´ a, t´ım v´ıce m˚ uˇze b´ yt model zjednoduˇsen. B0 oznaˇcme jako poˇcet pixel˚ u ob´ alky, kde zjednoduˇsov´ an´ı zaˇc´ıná. Pˇri poˇctu pixel˚ u hB0 je poˇcet vykreslovan´ ych vlas˚ u poloviˇcn´ı. Parametry B0 a h jsou uˇzivatelsky nastavitelné. Jestliˇze b = B/B0 , pak pro b < 1 plat´ı: λ = blogh (1/2)

(4.1)

Pokud je b > 1, pak je λ = 1 (ˇz´ adn´ a simplifikace). Parametr B0 tedy urˇcuje, kde simplifikace zaˇc´ıná (tj. vyˇsˇs´ı ˇc´ıslo – dˇr´ıvˇejˇs´ı simplifikace) a parametr h ∈ (0, 0.5i urˇcuje tvar kˇrivky v závislosti na b (viz obrázek 4.2). Pro h = 0.5 se rovnice (4.1) redukuje na λ = b a simplifikace je lineárn´ı funkc´ı pomˇeru poˇctu pixel˚ u b. Parametr h tedy urˇcuje, jak agresivn´ı je zjednoduˇsován´ı pˇri oddalován´ı modelu. Volba niˇzˇs´ı hodnoty h znamen´ a pomalejˇs´ı zjednoduˇsován´ı ze zaˇcátku a naopak – pokud je model ve velké vzd´ alenosti, zjednoduˇsov´ an´ı je velmi agresivn´ı. ! 1 0.75

h=0.5 h=0.4 h=0.3 h=0.2 h=0.1

0.5 0.25

b

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Obr´ azek 4.2: λ jako funkce b pro r˚ uzné hodnoty h. Obrázek pˇrejat z [CHPR07].

4.4.2

Priorita vykreslov´ an´ı

Odstraˇ nov´ an´ı vlas˚ u pˇri animaci mus´ı b´ yt náhodné, nesm´ı záviset na geometrické pozici ˇci jiné charakteristice, jinak by mohlo docházet pˇri animaci k neˇzádouc´ım artefakt˚ um.


22

Jak jsme zm´ınil v kapitole 2, vlasy se generuj´ı na náhodn´ ych pozic´ıch (dle hustoty) interpolac´ı vymodelovan´ ych ˇr´ıd´ıc´ıch vlas˚ u. Pro simplifikaˇcn´ı algoritmus je vhodné uloˇzit vˇsechny vytvoˇrené vlasy v náhodném poˇrad´ı. Vykreslovac´ı program si poté naˇcte pouze ty vlasy, které skuteˇcnˇe potˇrebuje. S náhodn´ ym poˇrad´ım je tedy vhodné poˇc´ıtat uˇz ve fázi modelován´ı. Vlasy jsou vlastnˇe seˇrazeny v pomyslné prioritn´ı frontˇe, ze které se vyb´ıraj´ı pˇri vykreslován´ı v závislosti na velikosti simplifikace.

4.4.3

Zachov´ an´ı povrchu

Pokud zmenˇs´ıme poˇcet vlas˚ u, dojde pˇri vykreslován´ı k efekt˚ u ˇr´ıdnut´ı vlas˚ u, zvláˇsˇt pro velké hodnoty simplifikace. Proto je nutné upravovat pr˚ umˇer (ˇs´ıˇrku) vlas˚ u v závislosti na velikosti simplifikace. Lze pouˇz´ıt aproximativn´ı vzorec: (4.2)

s = 1/λ

Touto hodnotou staˇc´ı vyn´ asobit ˇs´ıˇrku kaˇzdého vlasu. Jednoduˇse ˇreˇceno: pokud vykreslujeme poloviˇcn´ı poˇcet vlas˚ u (λ = 0.5), potom mus´ıme zvˇetˇsit ˇs´ıˇrku kaˇzdého vlasu dvakrát (s = 2). Uveden´ y vzorec funguje dobˇre, pokud simplifikace nen´ı pˇr´ıliˇs agresivn´ı (je zobrazeno v´ıce neˇz 10% chlup˚ u) [CHPR07]. Pˇr´ıliˇs velké zjednoduˇsován´ı proto nen´ı vhodné. Na obrázku 4.3 je zobrazena hodnota s v závislosti na x, kde x je pozice vlasu v prioritn´ı frontˇe (0 aˇz 1). ! =.95 ! =.90 !=.70 ! =.50 ! =.30 ! =.10

s 4 3 2 1

x

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Obrázek 4.3: Pro menˇs´ı hodnoty λ je vylouˇceno v´ıce element˚ u a plocha vykreslovan´ ych element˚ u mus´ı b´ yt v´ıce zvˇetˇsena. Obr´ azek pˇrejat z [CHPR07].

4.4.4

Zachov´ an´ı kontrastu

Vzorkován´ı pixelu pˇri vykreslov´ an´ı v´ıce vzorky sniˇzuje rozptyl. Odstraˇ nován´ı element˚ u naopak vede ke zv´ yˇsen´ı rozptylu (tedy kontrastu), pˇr´ıklad je na obrázku 4.4. Problém se dá ˇreˇsit sn´ıˇzen´ım rozptylu barev, které se pouˇz´ıvaj´ı pˇri st´ınován´ı. To je moˇzné provést napˇr´ıklad filtrov´ an´ım textur s barvami vlas˚ u pˇri vˇetˇs´ı simplifikaci. Simplifikace zde m˚ uˇze m´ıt pˇresto zniˇcuj´ıc´ı efekt na r˚ uzné ostré odlesky vytvoˇrené d´ıky osvˇetlovac´ımu modelu. Vizuálnˇe se problém kontrastu projevuje pˇri velmi velk´ ych simplifikac´ıch (je zobrazeno ménˇe neˇz 10% element˚ u) a pouˇzit´ı hodnˇe kontrastn´ıch barev. V reáln´ ych scénách v chlupech pˇr´ıliˇs ostré barevné pˇrechody neb´ yvaj´ı. Nejlepˇs´ı obranou proti zmˇenˇe kontrastu je nepˇripouˇstˇet pˇr´ıliˇs velké hodnoty simplifikace. V´ıce o tomto problému viz [CHPR07].


23

Obrázek 4.4: Pˇr´ıklad problému zmˇeny kontrastu. Detailn´ı geometrie je vlevo nahoˇre, zjednoduˇsen´ a vpravo. Troj´ uheln´ıky jsou obarveny náhodnˇe dvˇema barvami, ˇctverce jsou pixely a teˇcky oznaˇcuj´ı vzorky. Obr´ azky dole ukazuj´ı v´ yslednou barvu pixel˚ u. Zjednoduˇsená verze má vˇetˇs´ı kontrast, protoˇze je pr˚ umˇerováno ménˇe troj´ uheln´ık˚ u. Obrázek pˇrejat z [CHPR07].

4.4.5

Plynul´ a animace

Velikost simplifikace se samozˇrejmˇe mˇen´ı s animac´ı daného objektu. Je proto nutné, aby vlasy nemizely skokovˇe, ale postupnˇe. To lze zaˇr´ıdit vytvoˇren´ım urˇcité pˇrechodové zóny, kdy se nˇekteré vlasy postupnˇe zuˇzuj´ı, aˇz u ´plnˇe zmiz´ı. Na obrázku 4.5 je uk´ azka tohoto pˇr´ıstupu s pˇrechodovou zónou o velikosti t = 10% (na obˇe strany). Nˇekteré vlasy tak nemaj´ı pr˚ umˇer zvˇetˇsen´ y pomoc´ı s = 1/λ, ale o hodnotu menˇs´ı (dle pozice v prioritn´ı frontˇe). Vˇsimnˇete si, ˇze plocha pod kaˇzdou kˇrivkou je stejná jako bez pouˇzit´ı pˇrechod˚ u (srovnejte obr´ azek 4.3 s 4.5). ! =.95 ! =.90 ! =.70 ! =.50 ! =.30 ! =.10

s 4 3 2 1

x

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Obrázek 4.5: Velikost vlas˚ u se sniˇzuje plynule, plocha pod kˇrivkami je stejná jako na obr´ azku 4.3. Obrázek pˇrejat z [CHPR07].

Pˇri implementaci plynulé animace je nutné pamatovat na hraniˇcn´ı pˇr´ıpady, které se mohou liˇsit v následuj´ıc´ıch parametrech: • te – Skuteˇcn´ a velikost pˇrechodové zóny (nepˇresahuj´ıc´ı interval h0, 1i v prioritn´ı frontˇe) • smax – Maxim´ aln´ı zvˇetˇsen´ı plochy (odpov´ıdá hodnotˇe v x = 0) • smin – Minim´ aln´ı zvˇetˇsen´ı plochy (odpov´ıdá hodnotˇe v x = 1) Je-li λ−t < 0, potom je simplifikace vˇetˇs´ı neˇz pˇrechodová zóna. Na obrázku 4.5 by to odpov´ıdalo hodnotám λ < 0.1.


24

Je-li λ + t > 1, potom je simplifikace pˇr´ıliˇs malá. Na obrázku 4.5 by to odpov´ıdalo hodnotám λ > 0.9. Ostatn´ı pˇr´ıpady se nach´ az´ı mezi tˇemito dvˇema hranicemi. Na obrázku 4.5 by to odpov´ıdalo hodnotám λ ∈ h0.1, 0.9i.

te =

   λ

pokud λ − t < 0 1 − λ pokud λ + t > 1   t pokud λ − t ≥ 0 ∧ λ + t ≤ 1 (

smax = (

smin =

1/λ 1 1−t2e /t

pokud λ + t ≤ 1 pokud λ + t > 1

0 pokud λ + t ≤ 1 smax (1 − te /t) pokud λ + t > 1

(4.3)

(4.4)

(4.5)

Skuteˇcná hodnota u ´pravy pr˚ umˇeru vlasu s se urˇc´ı dle pozice v prioritn´ı frontˇe x pomoc´ı lineárn´ı interpolace: s = smin + (smax − smin ) · i(x)

(4.6)

Parametr i(x) z´ avis´ı na pozici elementu v prioritn´ı frontˇe:

i(x) =

   1

0

  λ+te −x 2te

pokud x ≤ λ − te (plné zvˇetˇsen´ı) pokud x ≥ λ + te (minimáln´ı zvˇetˇsen´ı) pokud x > λ − te ∧ x < λ + te (pˇrechodová zóna)

(4.7)

ˇ Í PROSTRED ˇ Í KAPITOLA 5. PRODUKCN

25

5 Produkˇ cn´ı prostˇ red´ı Implementace je urˇcena pro produkˇcn´ı prostˇred´ı, kde se samozˇrejmˇe pouˇz´ıvaj´ı technologie typické pro toto odvˇetv´ı. Pro tvorbu 3D grafiky (modelován´ı, animace, nasv´ıcen´ı) slouˇz´ı grafické editory jako napˇr´ıklad Autodesk Maya, Softimage XSI nebo 3D Studio MAX. Zobrazov´ an´ı prob´ıhá ve vykreslovac´ıch programech (rendererech) standardu RenderMan jako napˇr´ıklad 3Delight, PRMan nebo Pixie. Grafické studio je samozˇrejmˇe jiˇz zvyklé na nˇekteré nástroje a pouˇz´ıvá osvˇedˇcené postupy pro tvorbu grafiky. To je nutné respektovat pˇri volbˇe prostˇred´ı pro implementaci. Programové vybaven´ı pouˇz´ıvané ve studiu UPP pro modelován´ı a vykreslován´ı vlas˚ u/chlup˚ u: Autodesk Maya – Program pro tvorbu 3D grafiky. http://www.autodesk.com/maya/ Joe Alter Shave and a Haircut – Zásuvn´ y model do Mayi pro modelován´ı vlas˚ u a chlup˚ u, dále jen Shave. http://www.joealter.com/ 3Delight RenderMan – Vykreslovac´ı program dle specifikace RenderMan [Pix05]. http://www.3delight.com/

5.1

Autodesk Maya

Maya je jedn´ım z mnoha program˚ u pro tvorbu 3D grafiky a animace. V této aplikaci je vymodelována a nasv´ıcena cel´ a scéna vˇcetnˇe vlas˚ u. Vykreslován´ı zpravidla prob´ıhá v extern´ım rendereru, kter´ y b´ yv´ a ˇcasto integrov´ an do rozhran´ı grafického editoru. ym zp˚ usobem Architektura programu Maya je naznaˇcena na obrázku 5.1. Jakmile uˇzivatel nˇejak´ pracuje s uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım (napˇr. vytvoˇren´ı ˇci modifikace geometrick´ ych objekt˚ u), Maya pro kaˇzdou akci generuje MEL (Maya Embedded Language) pˇr´ıkazy, které lze zad´ avat i samostatnˇe do pˇr´ıkazové ˇr´ adky v Maye. Tyto pˇr´ıkazy jsou teprve interpretovány a vˇetˇsina z nich operuje nad grafem scény DG (dependency graph), kter´ y vlastnˇe pˇredstavuje celou scénu (vˇsechny 3D objekty, materi´ aly, animace, atd.). DG je tvoˇren uzly, které obsahuj´ı data i operace. Data b´ yvaj´ı uloˇzena v podobˇe atribut˚ u, které je moˇzné nastavovat prostˇrednictv´ım uˇzivatelského rozhran´ı (resp. pˇr´ıkaz˚ u MEL). Typick´ ym uzlem DG je napˇr´ıklad geometrick´ y objekt. Jedn´ım z moˇzn´ ych rozˇs´ıˇren´ı Mayi jsou r˚ uzné uˇzivatelské MEL skripty, které se vyuˇz´ıvaj´ı pro automatizaci ˇcasto opakovan´ ych ˇcinnost´ı. MEL je také moˇzné pouˇz´ıt pro vytvoˇren´ı nebo u ´pravu grafického rozhran´ı editoru. Maya dále obsahuje C++ API, pomoc´ı kterého je moˇzné vytváˇret zásuvné moduly. V této práci bude potˇreba vyrobit z´ asuvn´ y modul, kter´ y vytvoˇr´ı nov´ y: DG uzel – Uzly pˇredstavuj´ı z´ akladn´ı stavebn´ı kameny DG. Kromˇe obecn´ ych uzl˚ u je moˇzné vytv´ aˇret i specializované uzly (napˇr´ıklad nová geometrická primitiva). Velkou v´ yhodou je, ˇze Maya sama automaticky zajist´ı uloˇzen´ı/naˇcten´ı nov´ ych uzl˚ u do/z souboru spolu s celou scénou v podobˇe DG. V´ıce v ˇcásti 6.2.5. MEL pˇ r´ıkaz – Novˇe vytvoˇrené pˇr´ıkazy je moˇzné volat z pˇr´ıkazové ˇrádky ˇci skript˚ u. Chovaj´ı se identicky jako vestavˇené pˇr´ıkazy. V´ıce v ˇcásti 6.2.4.


26

Obr´ azek 5.1: Zjednoduˇsená architektura editoru Maya.

5.2

Shave and a Haircut

Pro tvorbu vlas˚ u resp. chlup˚ u v Maye standardnˇe slouˇz´ı nástroje Maya Hair resp. Maya Fur. V produkci se ˇcasto pouˇz´ıv´ a pro modelov´ an´ı vlas˚ u zásuvn´ y modul Shave and a Haircut od Joe y m´ a oproti standardn´ım nástroj˚ um pˇr´ıtomn´ ych v Maye Altera (ukázka na obr´ azku 5.2), kter´ nˇekolik v´ yhod: • Uˇzivatelsky pˇr´ıvˇetivˇejˇs´ı modelov´ an´ı vlas˚ u (napˇr´ıklad moˇznosti ˇcesán´ı). • Stejné rozhran´ı pro chlupy i vlasy. • Podpora exportu vlas˚ u do souboru RIB, kter´ y pouˇz´ıvá RenderMan. • Shave je zabudov´ an i v dalˇs´ıch grafick´ ych editorech – Softimage XSI a 3D Studio MAX.

Obr´ azek 5.2: Uk´ azka z aplikace Maya a nástroje Shave and a Haircut.

Shave má i vlastn´ı API SDK, které ale obsahuje velké mnoˇzstv´ı chyb a má omezené pouˇzit´ı. Umoˇzn ˇuje totiˇz operovat jen nad vygenerovan´ ymi vlasy nikoliv nad ˇr´ıd´ıc´ımi.


27

D˚ uleˇzitá je podpora exportu vlas˚ u do RIBu pomoc´ı pˇr´ıkazu MEL: shaveWriteRib [flags] "ribFilename" Kde • ribFilename je jméno souboru do kterého se zap´ıˇs´ı vˇsechny vlasy. • flags jsou r˚ uzné parametry [Alt08], které lze nastavit i prostˇrednictv´ım grafického rozhran´ı Shave. Tento pˇr´ıkaz vytvoˇr´ı spoleˇcn´ y soubor RIB pro vˇsechny instance vlas˚ u Shave ve scénˇe. Pro pouˇzit´ı r˚ uzn´ ych druh˚ u vlas˚ u v jedné scénˇe je nutné modelovat vlasy (generovat RIB) oddˇelenˇe. Vlasy jsou v Shave generov´ any na náhodn´ ych m´ıstech polygonáln´ı geometrie a ukládány jsou do souboru RIB samozˇrejmˇe také v náhodném poˇrad´ı, coˇz je pro simplifikaˇcn´ı algoritmus velmi pˇr´ıznivá okolnost. Shave um´ı generovat vlasy i do tzv. voxel˚ u. Nevzniká tak pouze jeden soubor RIB, ale hned nˇekolik soubor˚ u. Je vytvoˇren hlavn´ı RIB, kter´ y obsahuje odkazy na soubory RIB jednotliv´ ych voxel˚ u. Vlasy (geometrie) jsou potom obsaˇzeny v RIBech voxelu, kaˇzdé vlákno patˇr´ı právˇe do jednoho voxelu. V´ yhodou tohoto pˇr´ıstupu je sn´ıˇzen´ı pamˇeti pˇri vykreslován´ı, protoˇze vlasy se naˇc´ıtaj´ı a zobrazuj´ı postupnˇe. V´ıce o vlasech ve formátu RIB v ˇcásti 6.2.1. Voxel zde nen´ı u ´plnˇe spr´ avn´ y term´ın, protoˇze ve skuteˇcnosti jde o pˇrekr´ yvaj´ıc´ı se AABB (AxisAligned Bounding Box ). Nicménˇe jedná se o zavedenou terminologii Shave, které se i já budu v dalˇs´ım textu drˇzet.

5.3

3Delight RenderMan

Pro vykreslov´ an´ı se v produkˇcn´ım prostˇred´ı témˇeˇr v´ yluˇcnˇe pouˇz´ıvá renderer standardu RenderMan. RenderMan je vlastnˇe technická specifikace pro interakci mezi modelovac´ım a vykreslovac´ım programem. Prvn´ı zm´ınka o RenderMan je z roku 1988, kdy byl vyvinut v Pixar Animation Studios [CCC87]. Od té doby byl samozˇrejmˇe RenderMan zdokonalen, základn´ı idea z˚ ustává st´ ale stejn´ a. Pro vykreslován´ı je zpravidla pouˇzit algoritmus reyes (popsán v ˇc´ asti 2.3.3), lze pouˇz´ıt i ray tracing a globáln´ı osvˇetlen´ı. Existuje mnoho r˚ uzn´ ych implementac´ı, mezi nejznámˇejˇs´ı renderery patˇr´ı: PRMan – PhotoRealistic RenderMan je asi nejznámˇejˇs´ı komerˇcn´ı renderer vytvoˇren´ y v Pixar Animation Studios, jedn´ a se pravdˇepodobnˇe o nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı vykreslovac´ı program. PRMan je moˇzné integrovat do editoru Maya. Nev´ yhodou PRMan m˚ uˇze b´ yt vysok´ a poˇrizovac´ı cena. https://renderman.pixar.com/ 3Delight RenderMan – 3Delight je také komerˇcn´ı renderer (od spoleˇcnosti dna research), ale za mnohem niˇzˇs´ı cenu. Licence na jedno PC bez technické podpory je dokonce k dispozici zdarma. 3Delight je moˇzné integrovat do editoru Maya a XSI. http://www.3delight.com/ Pixie – Nejzn´ amˇejˇs´ı open source renderer, kter´ y ovˇsem v souˇcasné verzi nen´ı moˇzné integrovat do ˇz´ adného z grafick´ ych editor˚ u. http://www.renderpixie.com/


28

ˇ prostˇrednictv´ım RI API Grafické editory mohou s vykreslovac´ım programem komunikovat bud (RenderMan Interface) nebo soubor˚ u RIB. Obˇe formy jsou z hlediska funkce ekvivalentn´ı. Renderer totiˇz interpretuje soubor RIB právˇe pomoc´ı pˇr´ıkaz˚ u RI API. Ukázka jednoduchého RIBu a odpov´ıdaj´ıc´ıch volán´ı RI API v C++: Format 1024 1024 1 Projection "perspective" "fov" 45

WorldBegin Color 1 1 1 LightSource "distantlight" Surface "matte" Translate 0 0 3 Sphere 1 -1 1 360 WorldEnd

RiFormat(1024, 1024, 1); RtFloat fov = 45; RiProjection(RI_PERSPECTIVE, "fov", &fov, RI_NULL); RiWorldBegin(); RtColor white = {1,1,1}; RiColor(white); RiLightSource("distantlight", RI_NULL); RiSurface("matte", RI_NULL); RiTranslate(0, 0, 3); RiSphere(1, -1, 1, 360, RI_NULL); RiWorldEnd();

Uveden´ y pˇr´ıklad je velmi jednoduch´ y (v´ yznam jednotliv´ ych pˇr´ıkaz˚ u viz [Pix05]) – po vykreslen´ı se zobraz´ı koule (obr´ azek 5.3).

Obr´ azek 5.3: Koule vykreslená pomoc´ı 3Delight RenderMan. 3Delight RenderMan lze integrovat do grafického editoru Maya. Pˇri spuˇstˇen´ı vykreslován´ı je celá scéna (geometrie, svˇetla, materi´ aly, . . . ) z Mayi poslána do vykreslovac´ıho programu prostˇrednictv´ım RI API. V´ yjimku tvoˇr´ı právˇe vlasy vytvoˇrené extern´ım zásuvn´ ym modulem Shave. Ty je nutné vyexportovat do form´ atu RIB (viz v´ yˇse). Vykreslovac´ı programy standardu RenderMan je moˇzné rozˇsiˇrovat zejména pomoc´ı st´ınovac´ıch program˚ u (shaders), novˇe je podporov´ ana i modifikace zobrazovac´ıho ˇretˇezce prostˇrednictv´ım proceduráln´ıch primitiv. Pod´ıvejme se nyn´ı na tyto moˇznosti rozˇsiˇrován´ı bl´ıˇze. 5.3.1

St´ınovac´ı programy

Vytváˇren´ı fotorealistick´ ych obr´ azk˚ u vyˇzaduje specifikaci materiál˚ u a vlastnost´ı osvˇetlen´ı. RenderMan pro tvorbu uˇzivatelsk´ ych materiál˚ u obsahuje vlastn´ı jazyk RSL (RenderMan Shading Language), kter´ y vych´ az´ı z jazyka C. RenderMan podporuje nˇekolik typ˚ u uˇzivatelsk´ ych st´ınovac´ıch program˚ u: Surface shaders – Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı ze vˇsech typ˚ u. Pouˇz´ıvaj´ı se k implementaci r˚ uzn´ ych druh˚ u materiál˚ u aplikuj´ı se na vˇsechna geometrická primitiva. V´ıce v ˇcásti 6.4.


29

Light source shaders – Aplikuj´ı se na zdroje svˇetla a upravuj´ı napˇr´ıklad rozdˇelen´ı vyzaˇrované intenzity v z´ avislosti na smˇeru. Displacement shaders – Slouˇz´ı k modifikac´ı bod˚ u povrchu, pouˇz´ıvaj´ı se napˇr´ıklad pro vytv´ aˇren´ı hrbol˚ u (bumps). Volume shaders – Upravuj´ı barvu paprsku pˇri pr˚ uchodu objemem (atmosféra). Imager shaders – Aplikuj´ı se na pixely pˇred v´ ystupem do koneˇcného obrázku. V 3Delight for maya (integrace 3Delight RenderMan do editoru Maya) jsou prostˇrednictv´ım pˇripraven´ ych st´ınovac´ıch program˚ u standardnˇe podporovány materiály vytváˇrené v hyper st´ınovaˇci (hypershade) v Maye. Dále je moˇzné pouˇz´ıvat i klasické st´ınovac´ı programy pro RenderMan napsané v RSL. 5.3.2

Procedur´ aln´ı primitiva

Pro dalˇs´ı rozˇsiˇrov´ an´ı moˇznost´ı RenderMan bylo nutné umoˇznit vˇetˇs´ı modifikace zobrazovac´ıho ˇretˇezce. Proto byl v roce 1997 standard obohacen o moˇznost zpoˇzdˇeného naˇc´ıtán´ı (delayed read archive) soubor˚ u RIB aˇz pˇri vykreslován´ı [Pix97]. Dále lze pouˇz´ıvat proceduráln´ı primitiva – dynamicky sd´ılené objekty DSO (Dynamic Shared Object) [Pix97], kdy renderer pˇri vykreslov´ an´ı vol´ a uˇzivatelsky vytvoˇrenou knihovnu. V´ yhodou zpoˇzdˇeného naˇc´ıt´ an´ı je, ˇze RIB je naˇcten (vykreslen) pouze tehdy, kdyˇz je hraniˇcn´ı obálka objektu ve viditelné oblasti. T´ım se zpoˇzdˇené naˇc´ıtán´ı liˇs´ı od pˇr´ıkazu RiReadArchive, kter´ y naˇcte soubor RIB ihned. Napˇr´ıklad pˇr´ıkaz Procedural "DelayedReadArchive" [ "file.rib" ] [ -1 1 -1 1 0 6 ] zp˚ usob´ı naˇcten´ı souboru file.rib pokud je hraniˇcn´ı obálka (zde [ -1 1 -1 1 0 6 ]) pˇri vykreslov´ an´ı ve viditelné oblasti. V´ıce moˇznost´ı nab´ızej´ı DSO, jejichˇz tvorba je závislá na pouˇzitém vykreslovac´ım programu. Je nutné pouˇz´ıt jazyk C/C++ a pˇr´ısluˇsné hlaviˇckové soubory a knihovny implementace rendereru. Renderer po v´ yskytu pˇr´ıkazu RiProcedural s parametrem DynamicLoad tak pˇri vykreslov´ an´ı volá DSO. Napˇr´ıklad pˇr´ıkaz Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "1.0" ] [ -1 1 -1 1 0 6 ] zp˚ usob´ı, ˇze renderer pˇri vykreslov´ an´ı zavolá furProc.dll a této knihovnˇe pˇredá parametry (v tomto pˇr´ıpadˇe hodnotu 1.0). Vol´ an´ı se opˇet uskuteˇcn´ı pouze, pokud je obálka pˇri vykreslov´ an´ı ve viditelné oblasti. V´ yhodné je, ˇze RenderMan kromˇe parametr˚ u specifikovan´ ych v RIBu pˇred´ a do DSO i poˇcet viditeln´ ych pixel˚ u obálky, coˇz lze vyuˇz´ıt právˇe pˇri implementaci simplifikace. V´ıce o programov´ an´ı DSO v ˇc´ asti 6.3.1. 5.3.3

Podm´ınˇ en´ e v´ yrazy

Od roku 2001 je moˇzné v souboru RIB pouˇz´ıvat podm´ınˇené v´ yrazy a t´ım vˇetvit naˇc´ıtán´ı RIBu. Umoˇzn ˇuj´ı to pˇr´ıkazy RiIfBegin, RiElseIf, RiElse a RiIfEnd. V podm´ınce lze pouˇz´ıvat r˚ uzné relace pro porovnáván´ı, uˇzivatelské atributy nebo stavové promˇenné rendereru. Pˇr´ıklad pouˇzit´ı podm´ınky v RIBu: Attribute "user" "string renderpass" ["shadow"]


30

IfBegin "$user:renderpass == ’shadow’" Surface "null" Else Surface "matte" IfEnd

Podle nastaveného atributu renderpass (pomoc´ı pˇr´ıkazu RiAttribute) se v tomto pˇr´ıkladˇe zvol´ı st´ınovac´ı program. Nev´ yhodou je urˇcitá omezenost testovan´ ych hodnot, napˇr´ıklad mus´ıme y stavov´ y atribut, sami zajistit nastaven´ı atributu renderpass. Specifikace [Pix05] totiˇz ˇzádn´ kter´ y by oznaˇcoval typ pr˚ uchodu, neobsahuje (v´ıce o tomto problému v ˇcásti 6.2.2). 5.3.4

Dalˇ s´ı rozˇ s´ıˇ ren´ı

RenderMan je samozˇrejmˇe neust´ ale rozˇsiˇrován o nové moˇznosti uˇzivatelsk´ ych u ´prav zobrazovac´ıho ˇretˇezce. Dalˇs´ı modifikace pˇrin´ aˇsej´ı RI Filters, kdy lze filtrovat (upravovat) obsah RIBu tˇesnˇe pˇred vykreslov´ an´ım. V tomto textu jsem se soustˇredil jen na vˇeci potˇrebné pro implementaci simplifikace. V´ıce o zobrazovac´ım ˇretˇezci a moˇznostech modifikace napˇr´ıklad v [Bat03].

5.4

Tvorba a vykreslov´ an´ı vlas˚ u

Shave i 3Delight jsou integrov´ any do grafického editoru Maya a ovládaj´ı se prostˇrednictv´ım rozhran´ı tohoto programu. Zat´ımco Shave je nástroj, kter´ y cel´ y funguje v rámci Mayi, tak 3Delight je samostatn´ a aplikace, kterou lze pouˇz´ıt pro vykreslován´ı i mimo Mayu. V rámci produkce se samozˇrejmˇe pro konfiguraci vykreslovac´ıho programu vyuˇz´ıvá grafické rozhran´ı, které je dostupné v Maye. Jak tedy nástroje spolupracuj´ı ve standardn´ım produkˇcn´ım ˇretˇezci pro vykreslován´ı vlas˚ u? Nejprve je nutné vytvoˇrit model vlas˚ u v Maye pomoc´ı Shave [Alt08]. Z vymodelovan´ ych vlas˚ u se pˇr´ıkazem shaveWriteRib vytvoˇr´ı soubor RIB (resp. soubory v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı voxel˚ u). Tento pˇr´ıkaz je nutné spouˇstˇet pˇred vykreslen´ım kaˇzdého sn´ımku, protoˇze vlasy mohou b´ yt animovány a model se tak m˚ uˇze mˇenit. Maya podporuje spouˇstˇen´ı skript˚ u (MEL) pˇred kaˇzd´ ym sn´ımkem [3De07b]. Typicky se pouˇz´ıv´ a pˇr´ıkaz: eval("shaveWriteRib \"" + "C:/shave/hair." + ‘currentTime -query‘ + ".rib" + "\"");

‘currentTime -query‘ slouˇz´ı pro vytvoˇren´ı unikátn´ıho jména souboru pomoc´ı ˇc´ısla sn´ımku (napˇr´ıklad C:/shave/hair.1.rib je jméno souboru pro prvn´ı sn´ımek). 3Delight automaticky generuje RI API pro vˇsechny standardn´ı primitiva ve scénˇe. V´ yjimku tvoˇr´ı právˇe vlasy, kde je nutné odeslat do rendereru vygenerovan´ y RIB, coˇz lze udˇelat napˇr´ıklad pomoc´ı speciáln´ıho uzlu DG – RIB Archive Node. Pˇri vykreslován´ı je tak pˇred kaˇzd´ ym sn´ımkem nejprve vygenerov´ an RIB, kter´ y je poté naˇcten d´ıky uvedenému uzlu. Pro st´ınován´ı se pouˇz´ıvaj´ı st´ınovac´ı programy napsané pro RenderMan v RSL. Ty lze samozˇrejmˇe nastavovat pomoc´ı integrovaného rozhran´ı v Maye. Toto je zaveden´ y postup, kter´ y se standardnˇe pouˇz´ıvá pro vykreslován´ı vlas˚ u v produkci. Pˇri implementaci simplifikace je samozˇrejmˇe nutné tento postup respektovat a co nejménˇe jej modifikovat!

KAPITOLA 6. IMPLEMENTACE

31

6 Implementace Zobrazov´ an´ı chlup˚ u a vlas˚ u trv´ a velmi dlouhou dobu ve srovnán´ı s klasick´ ymi polygonáln´ımi objekty, proto se vyplat´ı tento problém ˇreˇsit. Kdyˇz je chlupat´ y objekt dále od kamery, lze vykreslov´ an´ı urychlit pomoc´ı simplifikace. Pˇri animac´ıch se napˇr´ıklad chlupaté zv´ıˇre ˇcasto pohybuje vzhledem ke kameˇre, takˇze simplifikace se uplatˇ nuje v mnoha sn´ımc´ıch. V hromadn´ ych scénách lze potom pouˇz´ıt stejn´ y detailn´ı model pro vˇsechny entity a aˇz pˇri vykreslován´ı doch´ az´ı ke zjednoduˇsen´ı. V rámci této pr´ ace jsem implementoval stochastickou simplifikaci, která je vhodná pro pouˇzit´ı v produkˇcn´ım prostˇred´ı specifikovaném v kapitole 5. Dále jsem implementoval osvˇetlovac´ı model Kayjia & Kay i Marschner˚ uv model jako st´ınovac´ı programy pro RenderMan. V pˇredchoz´ı kapitole jsem uk´ azal, jak funguje vykreslován´ı vlas˚ u bez simplifikace. Pˇri implementaci simplifikace je tˇreba respektovat poˇzadavky produkce: • Je nutné pouˇz´ıt aplikaˇcn´ı prostˇred´ı – Maya, Shave, 3Delight (viz pˇredchoz´ı kapitola). • Nelze drasticky zmˇenit zabˇehnuté postupy (viz ˇcást 5.4) pro vykreslován´ı vlas˚ u. • Simplifikace nez´ avis´ı na osvˇetlovac´ım modelu (st´ınovac´ım programu). • Nastaven´ı simplifikace se mus´ı provádˇet pomoc´ı grafického rozhran´ı v Maye. • Pokud nelze zjednoduˇsovat, nesm´ı algoritmus zpomalovat vykreslován´ı. Dalˇs´ı poˇzadavky a omezen´ı vypl´ yvaj´ı z pouˇzitého aplikaˇcn´ıho prostˇred´ı: • Vlasy lze naˇc´ıtat pouze prostˇrednictv´ım soubor˚ u RIB, které jsou vygenerovány zásuvn´ ym modulem Shave. • Nelze pˇr´ımo upravovat zobrazovac´ı ˇretˇezec (napˇr´ıklad zdrojov´ y kód 3Delight). • Pro editor Maya je moˇzné implementovat: – Z´ asuvné moduly v jazyce C/C++ – MEL skripty • 3Delight RenderMan lze rozˇs´ıˇrit pomoc´ı: – St´ınovac´ıch program˚ u – Procedur´ aln´ıch primitiv DSO – Filtr˚ u RIB (RI Filters) Vytvoˇrené ˇreˇsen´ı vˇsechny uvedené poˇzadavky splˇ nuje. Implementace je pomˇernˇe krkolomn´ a d´ıky omezen´ım produkˇcn´ıho prostˇred´ı, pˇrestoˇze vlastn´ı simplifikaˇcn´ı algoritmus je celkem jednoduch´ y. V následuj´ıc´ım textu jsou pops´ any vˇsechny komponenty, které jsou nezbytné pro implementaci simplifikaci vlas˚ u/chlup˚ u. Nejprve uvád´ım schéma, ze kterého je jasnˇe vidˇet, které komponenty jsem pˇridal a jak to celé dohromady funguje.

32

6.1


Sch´ ema funkce

Schéma ˇretˇezce pro zobrazov´ an´ı vlas˚ u s pˇridanou simplifikac´ı je na obrázku 6.1. Novˇe implementované komponenty jsou or´ amov´ any ˇcervenˇe. Jednotlivé kroky zobrazovac´ıho ˇretˇezce jsou oˇc´ıslovány a zv´ yraznˇeny modˇre. Popisuji postup pro vykreslen´ı jednoho sn´ımku – dalˇs´ı sn´ımky se budou vykreslovat naprosto stejnˇe (proveden´ım stejné posloupnosti krok˚ u).

Obrázek 6.1: Schéma ˇretˇezce pro zobrazován´ı vlas˚ u se simplifikac´ı. Novˇe implementované komponenty jsou or´ amov´ any ˇcervenˇe – jedná se o zásuvn´ y modul pro Mayu furSimplification a proceduráln´ı DSO furProc.dll pro RenderMan.

Shave vygeneruje soubory RIB stejnˇe jako bez pouˇzit´ı simplifikace (1). V´ ysledkem je nˇekolik soubor˚ u s geometri´ı vlas˚ u rozdˇelenou do voxel˚ u a hlavn´ı RIB s odkazy na tyto voxely pro zpoˇzdˇené naˇc´ıt´ an´ı (delayed read archive, viz ˇcást 5.3.2). Hlavn´ı RIB je nutné upravit tak, aby RenderMan pˇri vykreslován´ı volal proceduráln´ı DSO (dynamic load m´ısto delayed read archive). Pˇri zpoˇzdˇeném naˇc´ıtán´ı by RenderMan pouze naˇcetl a vykreslil vˇsechny voxely, nyn´ı p˚ ujde vykreslován´ı ˇr´ıdit v DSO.


33

´ Upravu hlavn´ıho RIBu realizuje nov´ y pˇr´ıkaz MEL (zásuvn´ y modul) pro Mayu furSimplification (2, 3). Nyn´ı m˚ uˇze probˇehnout vykreslován´ı v RenderMan, kdy renderer naˇcte upraven´ y hlavn´ı RIB m´ısto p˚ uvodn´ıho (4). RenderMan pˇri poˇzadavku na vykreslen´ı voxelu volá proceduráln´ı DSO furProc.dll (5). V této dynamické knihovnˇe jsou nejprve naˇcteny vlasy z RIBu voxelu a poté prob´ıhá simplifikaˇcn´ı algoritmus (6). V´ ysledek (zjednoduˇsen´ y model vlas˚ u) je vrácen do rendereru (7) prostˇrednictv´ım RI API. Poté RenderMan provede vlastn´ı zobrazen´ı chlup˚ u s aplikac´ı st´ınovac´ıho programu Hair shader (8). Tento st´ınovac´ı program jsem také implementoval, protoˇze nen´ı standardn´ı souˇcást´ı 3Delight. Tato komponenta se pouˇzije i v pˇr´ıpadˇe vykreslován´ı vlas˚ u bez simplifikace (proto nen´ı zv´ yraznˇena ˇcervenˇe). Z uˇzivatelského hlediska nen´ı vykreslován´ı se simplifikac´ı o mnoho sloˇzitˇejˇs´ı neˇz standardn´ı postup. Instalace a pouˇzit´ı simplifikace je popsáno v uˇzivatelské pˇr´ıruˇcce (pˇr´ıloha B).

6.2

furSimplification – z´ asuvn´ y modul pro Mayu

Prvn´ı krokem je u ´prava hlavn´ıho RIBu, kter´ y byl vytvoˇren zásuvn´ ym modulem Shave. Tento soubor je tedy nutné zmˇenit tak, aby RenderMan pˇri vykreslován´ı voxel˚ u zavolal naˇsi dynamickou knihovnu. Tuto modifikaci lze snadno realizovat implementac´ı nového pˇr´ıkazu MEL pro Mayu. Pod´ıvejme se nyn´ı na strukturu a v´ yznam hlavn´ıho souboru RIB, kter´ y budeme upravovat.

6.2.1

Struktura hlavn´ıho RIBu Shave

Tento soubor obsahuje pˇr´ıkazy pro zpoˇzdˇené naˇcten´ı soubor˚ u RIB jednotliv´ ych voxel˚ u. Shave pouˇz´ıvá bin´ arn´ı variantu RIB soubor˚ u [Pix05] s moˇznou gzip kompres´ı, proto je vhodné pˇri implementaci pouˇz´ıt pro naˇc´ıt´ an´ı soubor˚ u napˇr´ıklad knihovnu zlib (http://www.zlib.net/). ASCII variantou RIBu se nem´ a smysl zab´ yvat kv˚ uli ohromné velikosti ASCII soubor˚ u. Pˇr´ıklad hlavn´ıho RIBu vytvoˇreného Shave (pro srozumitelnost v ASCII), kter´ y obsahuje pro pˇrehlednost pouze ˇctyˇri voxely: ##RenderMan RIB version 3.04 TransformBegin Procedural "DelayedReadArchive" ["fur.1_shaveHairShape1_0.rib"] [-2.2281 0.705768 -3.59416 -0.0687717 -1.55476 0.452316] Procedural "DelayedReadArchive" ["fur.1_shaveHairShape1_1.rib"] [0.415756 2.12441 -3.6025 -0.0808415 -1.65198 -0.0726115] Procedural "DelayedReadArchive" ["fur.1_shaveHairShape1_2.rib"] [-2.30347 0.35287 -0.748081 1.14806 -1.73588 0.353727] Procedural "DelayedReadArchive" ["fur.1_shaveHairShape1_3.rib"] [0.265323 2.91705 -0.652254 3.35846 -1.65049 0.175184] TransformEnd

Tento soubor je potˇreba naˇc´ıst a upravit. Z pˇr´ıkladu je vidˇet, ˇze Shave odkazuje na RIBy jednotliv´ ych voxel˚ u prostˇrednictv´ım Procedural "DelayedReadArchive". Pro prvn´ı voxel v pˇr´ıkladu je to soubor fur.1_shaveHairShape1_0.rib.

34


Pro pouˇzit´ı DSO pˇri vykreslov´ an´ı m´ısto zpoˇzdˇeného naˇcten´ı, staˇc´ı uvést DynamicLoad m´ısto DelayedReadArchive. D´ ale je nutné zapsat jméno DSO aplikace a uvést vˇsechny parametry simplifikace, protoˇze RIB je jedin´ ym m´ıstem pro pˇredán´ı parametr˚ u do DSO. 6.2.2

Nastaven´ı pro st´ınov´ y pr˚ uchod

Pˇri vykreslován´ı vlas˚ u se v RenderMan pro st´ıny pouˇz´ıvaj´ı deep shadow maps [LV00]. Ty se vykresluj´ı na zaˇc´ atku z pozice vˇsech svˇetel. Simplifikace tak prob´ıhá nejen v závˇereˇcném (vykreslen´ı obr´ azku), ale i ve st´ınovém pr˚ uchodu (vykreslen´ı st´ınov´ ych map). Bylo by vhodné, aby st´ınové pr˚ uchody mohly m´ıt jiné nastaven´ı parametr˚ u simplifikace neˇz pr˚ uchod závˇereˇcn´ y. Nastaven´ı simplifikace totiˇz závis´ı na pouˇzitém rozliˇsen´ı, které je u st´ınov´ ych map vˇetˇsinou jiné neˇz z´ avˇereˇcného obrázku. Typicky se pro st´ınové mapy pouˇz´ıvá rozliˇsen´ı 512×512. Na st´ıny je d´ ale moˇzné aplikovat agresivnˇejˇs´ı zjednoduˇsován´ı a to i v detailn´ıch pohledech – rozd´ıl nen´ı tak vizu´ alnˇe znateln´ y jako v pˇr´ıpadˇe velké simplifikace v závˇereˇcném pr˚ uchodu (viz ˇc´ ast 7.2). Bohuˇzel standard RenderMan (implementace 3Delight 7.0 ) nedovoluje rozpoznat v proceduráln´ım DSO typ pr˚ uchodu pˇri vykreslov´ an´ı. Problém lze vyˇreˇsit pomoc´ı podm´ınˇen´ ych v´ yraz˚ u v RIBu a nastaven´ım zvl´ aˇstn´ıho atributu (viz ˇcást 5.3.3). Pˇred zaˇcátkem vykreslován´ı st´ınové mapy nastav´ıme uˇzivatelsk´ y atribut: Attribute "user" "string renderpass" ["shadow"] Po ukonˇcen´ı vykreslov´ an´ı st´ınové mapy jej nastav´ıme na hodnotu: Attribute "user" "string renderpass" ["final"] Tyto pˇr´ıkazy je nutné zadat do RIBu na pˇr´ısluˇsná m´ısta (tj. zaˇcátek a konec st´ınového pr˚ uchodu). V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı 3Delight for maya lze nastavit atributy pomoc´ı MEL verze pˇr´ıkazu RiAttribute (viz pˇr´ıloha B). Typ pr˚ uchodu lze nyn´ı rozpoznat pˇr´ımo v RIBu pomoc´ı pˇr´ıkazu RiIfBegin. Takˇze upraven´ y hlavn´ı RIB by mˇel obsahovat dvˇe vˇetve – shadow a final, mezi kter´ ymi se rozhodne sám renderer aˇz v dobˇe vykreslov´ an´ı. 6.2.3

Upraven´ y hlavn´ı RIB

Jak bude vypadat upraven´ y hlavn´ı RIB? Je nutné vytvoˇrit dvˇe vˇetve a jeˇstˇe uloˇzit parametry nastaven´ı simplifikace, protoˇze procedur´ aln´ı DSO nemá jinou moˇznost naˇc´ıtán´ı parametr˚ u neˇz prostˇrednictv´ım souboru RIB. Zápis upraveného souboru lze realizovat pomoc´ı standardn´ıch funkc´ı jazyka C/C++. V´ yhodnˇejˇs´ı je pouˇz´ıt RI API, kdy pro v´ ystup do souboru staˇc´ı zavolat RiBegin(file). Kde file je jméno souboru, do kterého se bude zapisovat. V´ ystup do souboru se ukonˇc´ı volán´ım RiEnd(). Vˇsechny ostatn´ı funkce z RI API (napˇr´ıklad RiIfBegin, RiProcedural) voláme mezi tˇemito dvˇema pˇr´ıkazy. Pˇr´ıklad upraveného souboru RIB (jako zdroj byla pouˇzita pˇredchoz´ı ukázka RIBu se ˇctyˇrmi voxely): ##RenderMan RIB-Structure 1.0 ##Creator 3Delight 7.0.0 win32 (Nov 29 2007) "Django" ##CreationDate Tue Mar 25 12:35:00 2008 TransformBegin # { IfBegin "$user:renderpass == ’shadow’"


35

Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_0.rib’ ’log.txt’ 1 116220 0.4 0.1 0.1 0.5 -1" ] [ -2.2280987 0.705768 -3.5941607 -0.06877169 -1.5547591 0.4523164 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_1.rib’ ’log.txt’ 1 71195.5 0.4 0.1 0.1 0.5 -1" ] [ 0.41575632 2.1244107 -3.6024987 -0.08084149 -1.6519802 -0.07261145 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_2.rib’ ’log.txt’ 1 72550.9 0.4 0.1 0.1 0.5 -1" ] [ -2.3034714 0.35286983 -0.74808144 1.1480577 -1.7358801 0.35372708 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_3.rib’ ’log.txt’ 1 113684 0.4 0.1 0.1 0.5 -1" ] [ 0.2653229 2.9170478 -0.65225386 3.358459 -1.6504905 0.17518365 ] Else Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_0.rib’ ’log.txt’ 1 11622 0.4 0.1 0.1 -1 -1" ] [ -2.2280987 0.705768 -3.5941607 -0.06877169 -1.5547591 0.4523164 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_1.rib’ ’log.txt’ 1 7119.55 0.4 0.1 0.1 -1 -1" ] [ 0.41575632 2.1244107 -3.6024987 -0.08084149 -1.6519802 -0.07261145 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_2.rib’ ’log.txt’ 1 7255.09 0.4 0.1 0.1 -1 -1" ] [ -2.3034714 0.35286983 -0.74808144 1.1480577 -1.7358801 0.35372708 ] Procedural "DynamicLoad" [ "furProc.dll" "’fur.1_shaveHairShape1_3.rib’ ’log.txt’ 1 11368.4 0.4 0.1 0.1 -1 -1" ] [ 0.2653229 2.9170478 -0.65225386 3.358459 -1.6504905 0.17518365 ] IfEnd TransformEnd # }

V pˇr´ıkladu jsou dvˇe vˇetve (IfBegin a Else) pro st´ınov´ y resp. závˇereˇcn´ y pr˚ uchod a pˇr´ıkazy Procedural pro zavol´ an´ı DSO pˇri vykreslován´ı. Pro u ´plnost uv´ ad´ım syntaxi jednoho pˇr´ıkazu Procedural v upraveném RIBu: Procedural "DynamicLoad" [ "jm´ enoDLL" "’jm´ enoRIBu’ ’jm´ eno_LOGu’ simplifikovat? B0 h trans min max debugLambda" ] [ boundingBox ]

Popis jednotliv´ ych parametr˚ u je uveden v tabulce 6.1. Nastaven´ı parametr˚ u z uˇzivatelského pohledu je pops´ ano v pˇr´ıloze B.3. Maximáln´ı poˇcet vlas˚ u má smysl zadávat pouze pro st´ınov´ y pr˚ uchod, kde je moˇzné simplifikovat i v detailnˇejˇs´ıch pohledech (viz kapitola 7.2). Jedin´ ym problémem m˚ uˇze b´ yt urˇcen´ı parametru B0 (poˇcet pixel˚ u, kde simplifikace zaˇc´ın´ a). Voxely jsou totiˇz, jak jiˇz bylo ˇreˇceno, pˇrekr´ yvaj´ıc´ı se AABB a m˚ uˇzou b´ yt r˚ uznˇe velké. Jednotlivé voxely tak mohou m´ıt odliˇsné hodnoty B0 v závislosti na velikosti voxelu, jak je vidˇet i ve v´ ypisu upraveného RIBu. B0 jsem aproximoval pomoc´ı plochy hraniˇcn´ı obálky voxelu: B0 =

SB · P0 SM

Kde • SB je plocha ob´ alky (kv´ adru) aktuáln´ıho voxelu. • SM je plocha ob´ alky (kv´ adru), která obklopuje vˇsechny voxely modelu.

(6.1)

36

KAPITOLA 6. IMPLEMENTACE • P0 je poˇcet pixel˚ u vztaˇzen´ y k celému modelu, kde zaˇc´ıná simplifikace.

Kaˇzd´ y voxel tak m˚ uˇze m´ıt B0 nastaveno jinak. Pouˇzit´ı plochy m´ısto napˇr´ıklad objemu je lepˇs´ı, protoˇze obecnˇe nen´ı zn´ amo, jak je voxel (kter´ y m˚ uˇze m´ıt i protáhl´ y tvar) orientován ke kameˇre. jm´ enoDLL jm´ enoRIBu jm´ enoLOGu simplifikovat? B0 h trans min max debugLambda boundingBox

Jméno DSO, kter´ y implementuje simplifikaci RIB, kter´ y obsahuje vygenerované vlasy v daném voxelu Soubor, kter´ y se pouˇz´ıvá pro v´ ystup ladic´ıch informac´ı 1 = algoritmus simplifikace je zapnut, 0 = nepouˇz´ıvat simplifikaci Poˇcet pixel˚ u, kde simplifikace zaˇc´ıná Simplifikace 50% je pˇri hB0 pixelech Velikost pˇrechodové zóny Minim´ aln´ı poˇcet vlas˚ u (0 aˇz 1) Maxim´ aln´ı poˇcet vlas˚ u (0 aˇz 1), pouze pro st´ınov´ y pr˚ uchod N´ asilné nastaven´ı simplifikace λ (0 aˇz 1) pro testovac´ı u ´ˇcely Hraniˇcn´ı ob´ alka (6 × float), stejná jako u DelayedReadArchive

Tabulka 6.1: Popis parametr˚ u, které je tˇreba zapsat do RIBu. jm´ enoRIBu a boundingBox jsou naˇcteny z hlavn´ıho RIBu, B0 se spoˇc´ıt´ a podle vzorce (6.1). Uˇzivatelsk´ y pohled na nastaven´ı parametr˚ u je pˇr´ıloze B.3.

6.2.4

Pˇ r´ıkaz MEL pro Mayu

ˇ ım tuto u Nyn´ı v´ıme, jak m´ a vypadat upraven´ y RIB. C´ ´pravu realizovat? Podrˇz´ıme se standardn´ıho postupu, kter´ y se pouˇz´ıv´ a pro export vlas˚ u do RIBu. Vlasy se generuj´ı v Maye pomoc´ı pˇr´ıkazu MEL (viz ˇc´ ast 5.4): shaveWriteRib "ribFilename" ´ Upravu hlavn´ıho RIBu tak lze provést implementac´ı nového pˇr´ıkazu MEL, kter´ y dostane na vstup stejné jméno souboru jako pˇredchoz´ı pˇr´ıkaz Shave: shaveWriteRibProc "ribFilename" Pˇr´ıkazy se poté spouˇst´ı oba – prvn´ı vygeneruje RIBy a druh´ y provede poˇzadovanou u ´pravu hlavn´ıho souboru. Generov´ an´ı vˇsech vlas˚ u m˚ uˇze trvat pomˇernˇe dlouhou dobu, proto jsem implementoval i moˇznost u ´pravy jiˇz zpracovaného hlavn´ıho RIBu. Pˇri zmˇenˇe nastaven´ı simplifikace tak generov´ an´ı pomoc´ı shaveWriteRib odpadne a spouˇst´ı se pouze shaveWriteRibProc. Oba pˇr´ıkazy lze zadat ruˇcnˇe do pˇr´ıkazové ˇrádky v Maye nebo vyuˇz´ıt moˇznost´ı skript˚ u spouˇstˇen´ ych pomoc´ı 3Delight (viz pˇr´ıloha B). Kód v C++ (Maya API) pro tvorbu nov´ ych pˇr´ıkaz˚ u pro Mayu je pomˇernˇe jednoduch´ y, staˇc´ı implementovat nového potomka tˇr´ıdy MPxCommand: class shaveWriteRibProc : public MPxCommand { public: MStatus doIt(const MArgList& args); static void* creator() { return new shaveWriteRibProc; } };

Ve funkci doIt je k´ od, kter´ y se spust´ı pˇri zavolán´ı pˇr´ıkazu (args jsou parametry z pˇr´ıkazové ˇrádky – v tomto pˇr´ıpadˇe jméno souboru RIB). Funkce creator vrac´ı novou instanci tˇr´ıdy.


37

V´ıce o implementov´ an´ı nov´ ych pˇr´ıkaz˚ u jako zásuvn´ ych modul˚ u pro Mayu lze nalézt napˇr´ıklad v [Gou02]. Nov´ y pˇr´ıkaz shaveWriteRibProc provád´ı tedy pouze dvˇe vˇeci: 1. Naˇcten´ı parametr˚ u voxel˚ u (Procedural "DelayedReadArchive") z hlavn´ıho RIBu nebo naˇcten´ı jiˇz upraveného hlavn´ıho souboru (Procedural "DynamicLoad"). 2. Pˇreps´ an´ı hlavn´ıho RIBu pomoc´ı RI API na Procedural "DynamicLoad" s vˇetven´ım podle typu pr˚ uchodu a nastaven´ım parametr˚ u simplifikace. 6.2.5

Uˇ zivatelsk´ e rozhran´ı pro Mayu

Nastaven´ı simplifikace uˇzivatelem by bylo moˇzné provádˇet napˇr´ıklad prostˇrednictv´ım parametr˚ u pˇr´ıkazu shaveWriteRibProc. To je ovˇsem uˇzivatelsky nepˇr´ıvˇetivé. Jedn´ım z poˇzadavk˚ u produkce je pouˇzit´ı grafického uˇzivatelského rozhran´ı v Maye. Ideáln´ı ˇreˇsen´ı je vytvoˇrit nov´ y uzel DG. Maya pak sama vytvoˇr´ı grafické rozhran´ı pro atributy uzlu a zajist´ı i ukl´ ad´ an´ı do souboru (maya file format). Grafické rozhran´ı atribut˚ u uzlu je y uzel bude m´ıt jedinou moˇzné dále vylepˇsit pomoc´ı MEL skriptu (viz napˇr´ıklad [Str03]). Nov´ instanci v celé scénˇe – Shave totiˇz pro vˇsechny vlasy ve scénˇe vytváˇr´ı spoleˇcn´ y RIB. Nejobecnˇejˇs´ı uzel DG se vytvoˇr´ı implementac´ı nového potomka tˇr´ıdy MPxNode: class furSimplification : public MPxNode { public: static MStatus initialize(); bool setInternalValueInContext(const MPlug &plug, const MDataHandle &dataHandle, MDGContext &ctx); static void* creator() { return new shaveWriteRibProc; } static MTypeId id; private: static MObject attr1; // ... dalˇ s´ ı atributy };

Funkce initialize vytvoˇr´ı vˇsechny atributy uzlu (urˇcen´ı datového typu, rozsahu, v´ ychoz´ı hodnoty). Jednotlivé atributy jsou pˇriˇrazeny promˇenné typu MObject (zde napˇr´ıklad attr1). setInternalValueInContext je funkce zpˇetného volán´ı, kterou Maya spouˇst´ı pˇri jakékoliv zmˇenˇe atribut˚ u. Tato funkce m˚ uˇze b´ yt vyuˇzita pro z´ıskáván´ı hodnot atribut˚ u uzlu. Za zm´ınku jeˇstˇe stoj´ı promˇenn´ a id, která je jednoznaˇcnou identifikac´ı uzlu pro ukládán´ı do binárn´ıho souboru v Maye (maya binary file format). Pro lokáln´ı testován´ı je moˇzné pouˇz´ıvat ˇc´ısla z rozsahu 0x00000000 a 0x0007ffff. Jinak jsou unikátn´ı id pˇridˇelována technickou podporou Autodesku. Tˇr´ıda s implementac´ı pˇr´ıkazu shaveWriteRibProc má pˇr´ıstup k atribut˚ um, které jsou uloˇzeny prostˇrednictv´ım uzlu furSimplification. Ve scénˇe totiˇz existuje maximálnˇe jedna instance uzlu furSimplification, kter´ a je vytvoˇrena pˇri prvn´ım poˇzadavku na simplifikaci. Instanci nového uzlu je moˇzné vytvoˇrit napˇr´ıklad pomoc´ı MEL skriptu pˇri poˇzadavku (napˇr´ıklad v menu) na zobrazen´ı grafického rozhran´ı s atributy uzlu: string $n[] = ‘ls furSimplification‘;

38


if(size($n) <= 0) createNode furSimplification -n furSimplification; else showEditor("furSimplification");

Nejprve se pomoc´ı ls zjist´ı, zda existuje instance uzlu furSimplification. Pokud ne, je vytvoˇrena pomoc´ı createNode a Maya automaticky zobraz´ı atributy uzlu. Pokud instance jiˇz existuje, staˇc´ı zobrazit atributy vol´ an´ım showEditor. Ukázka vytvoˇreného uˇzivatelského rozhran´ı je na obrázku 6.2. Jednotlivé atributy odpov´ıdaj´ı parametr˚ um, které jsou zaps´ any do RIBu v obou vˇetv´ıch. V´ıce o implementaci nov´ ych uzl˚ u DG jako zásuvn´ ych modul˚ u pro Mayu lze nalézt napˇr´ıklad v [Gou02]. Popis uˇzivatelského rozhran´ı je v ˇcásti B.3.

Obrázek 6.2: Grafické rozhran´ı pro atributy uzlu DG (nastaven´ı simplifikace).

6.3

furProc.dll – procedur´ aln´ı DSO pro RenderMan

V proceduráln´ım DSO prob´ıh´ a vlastn´ı simplifikace. RenderMan tuto aplikaci volá v pˇr´ıpadˇe poˇzadavku na vykreslen´ı voxelu. V DSO je tˇreba provést následuj´ıc´ı akce: 1. Urˇcen´ı velikosti simplifikace na z´ akladˇe poˇctu viditeln´ ych pixel˚ u obálky. 2. Naˇcten´ı RIBu daného voxelu s poˇctem vlas˚ u dle velikosti simplifikace. 3. Proveden´ı simplifikace vlas˚ u (vylouˇcen´ı nˇekter´ ych vlas˚ uau ´prava pr˚ umˇeru). 4. Vrácen´ı vlas˚ u zpˇet do vykreslovac´ıho programu pomoc´ı RI API. DSO primitiva v RenderMan maj´ı nˇekolik omezen´ı, které je tˇreba respektovat: • Parametry do DSO lze pˇred´ avat pouze prostˇrednictv´ım souboru RIB. • Jedin´ ym parametrem poslan´ ym do DSO od rendereru je poˇcet pixel˚ u obálky, které jsou ve viditelné oblasti (to je pˇresnˇe hodnota, kterou potˇrebuje simplifikaˇcn´ı algoritmus). • Pomoc´ı RI API nen´ı moˇzné v DSO z´ıskat ˇzádné dalˇs´ı informace (napˇr´ıklad o kameˇre ˇci jin´ ych nastaven´ı RenderMan).


39

• DSO se velmi obt´ıˇznˇe lad´ı, v´ ysledek se dá ˇcasto kontrolovat jen vizuálnˇe v podobˇe vykreslen´ ych vlas˚ u. Nejprve se zm´ın´ım o struktuˇre aplikace DSO. V prostˇred´ı Windows se jedná o dynamickou knihovnu DLL. 6.3.1

Struktura DLL

V dynamické knihovnˇe je vyˇzadována implementace tˇr´ı funkc´ı (je nutné pouˇz´ıt linkov´ an´ı v jazyce C nikoliv C++): RtPointer ConvertParameters(RtString paramstr); RtVoid Subdivide(RtPointer data, RtFloat detail); RtVoid Free(RtPointer data);

Prvn´ı funkce ConvertParameters, jak jiˇz název napov´ıdá, slouˇz´ı ke konverzi parametr˚ u. Na vstupu je ˇretˇezec pˇredan´ y ve vol´ an´ı Procedural. Tento ˇretˇezec mus´ı b´ yt rozebrán na jednotlivé parametry. Funkce vrac´ı obecn´ y ukazatel void* na dynamicky alokovanou pamˇeˇt, takˇze lze pomoc´ı pˇretypov´ an´ı pouˇz´ıt jakoukoliv vytvoˇrenou strukturu. Renderer volá tuto funkci vˇzdy jako prvn´ı – pˇri novém poˇzadavku na vykreslen´ı proceduráln´ıho primitiva. Funkce Free je urˇcena k uvolnˇen´ı pamˇeti dynamicky alokované pro vrácen´ y ukazatel ve funkci ConvertParameters. Renderer tuto funkci volá automaticky, kdyˇz data nejsou dále potˇreba. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı funkce je Subdivide – na vstup dostává ukazatel na konvertované parametry (data) a parametr detail, kter´ y odpov´ıdá poˇctu pixel˚ u obálky primitiva ve viditelné oblasti. Právˇe tuto hodnotu pouˇzije simplifikaˇcn´ı algoritmus. V této funkci prob´ıhá naˇcten´ı vlas˚ u z RIBu a vlastn´ı simplifikace s v´ ystupem do rendereru, tj. vˇsechny kroky zm´ınˇené v´ yˇse. Renderer vol´ a tuto funkci hned po konverzi parametr˚ u funkc´ı ConvertParameters. 6.3.2

Naˇ cten´ı RIBu voxelu Shave

´ Uplnˇ e prvn´ım krokem by mˇelo b´ yt urˇcen´ı velikosti simplifikace, coˇz lze spoˇc´ıtat z parametr˚ u pˇredan´ ych do RIBu (viz algoritmus v ˇcásti 6.3.3). Známe-li procento zobrazen´ ych vlas˚ u, m˚ uˇzeme naˇc´ıst vlasy z RIBu daného voxel. Jméno souboru je souˇcást´ı pˇredan´ ych parametr˚ u z hlavn´ıho RIBu. V Shave je opˇet pouˇzita binárn´ı varianta soubor˚ u RIB, pˇresto mohou m´ıt tyto soubory i s gzip kompres´ı velikost nˇekolik des´ıtek megabajt˚ u d´ıky obrovskému mnoˇzstv´ı vláken. Jak tedy takov´ y soubor voxelu vytvoˇren´ y pomoc´ı Shave vypadá? Zde je pˇr´ıklad RIBu (opˇet v ASCII) obsahuj´ıc´ı pro pˇrehlednost pouhé tˇri vlasy: ##RenderMan RIB version 3.04 TransformBegin Basis "catmull-rom" 1 "catmull-rom" 1 Declare "width" "varying float" Declare "N_Srf" "uniform normal" Declare "SHAVEambdiff" "constant float" Declare "SHAVEopacity" "constant float" Declare "SHAVEgloss" "constant float" Declare "SHAVEselfshad" "constant float" Declare "SHAVEspec" "constant float"

40


Declare "SHAVEspec_color" "constant color" ShadingInterpolation "smooth" Declare "s" "uniform float" Declare "t" "uniform float" Curves "cubic" [6 6 6] "nonperiodic" "P" [-0.311655 0.0267191 1.46655 -0.311655 0.0267191 1.46655 -0.310125 -0.130192 1.51178 -0.309074 -0.294351 1.52142 -0.308726 -0.452484 1.54429 -0.308726 -0.452484 1.54429 1.97353 -0.469898 1.00425 1.97353 -0.469898 1.00425 1.99099 -0.63085 1.00817 1.94517 -0.793607 1.00339 1.88514 -0.95955 0.996393 1.88514 -0.95955 0.996393 0.638394 -1.04928 0.322612 0.638394 -1.04928 0.322612 0.749549 -1.09488 0.392676 0.870997 -1.08406 0.473121 0.994826 -1.05935 0.561633 0.994826 -1.05935 0.561633] "width" [0.021101 0.0164119 0.0117228 0.00703368 0.021101 0.0164119 0.0117228 0.00703368 0.021101 0.0164119 0.0117228 0.00703368] "N_Srf" [0.00313625 0.0155051 0.999875 0.991099 0.0116936 0.132616 -0.215395 -0.96797 -0.128992] "s" [0.480522 0.664827 0.5399]"t" [0.126423 0.0711691 0.901884] "SHAVEambdiff" [0.75]"SHAVEopacity" [1]"SHAVEgloss" [0.098]"SHAVEselfshad" [1] "SHAVEspec" [0.9]"SHAVEspec_color" [1 1 1] TransformEnd

V pˇr´ıkladu vid´ıme deklarace (Declare) nestandardn´ıch parametr˚ u kˇrivek. Parametry SHAVE* nejsou pouˇzity pˇri vykreslov´ an´ı ani ve st´ınovac´ım programu, takˇze je m˚ uˇzeme pˇri naˇc´ıtán´ı ignorovat. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ˇc´ ast´ı jsou kˇrivky zadané pˇr´ıkazem RiCurves. Pˇr´ıkaz RiCurves dle specifikace RenderMan [Pix05]: RiCurves ( RtToken type, RtInt ncurves, RtInt nvertices[], RtToken wrap, ...parameterlist...) Popis parametr˚ u je uveden v tabulce 6.2. Shave podporuje oba typy kˇrivek – cubic i linear. Srovnán´ı obou typ˚ u je vidˇet na obr´ azku 6.3. Typ linear je v´ ypoˇcetnˇe o nˇeco málo rychlejˇs´ı, ale pˇri bliˇzˇs´ım pohledu na kˇrivku je vidˇet navazován´ı rovn´ ych segment˚ u, takˇze se tento typ témˇeˇr nepouˇz´ıv´ a. V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı linear je poˇcet hodnot v poli width roven celkovému poˇctu P P vrchol˚ u ncurves nvertices, v pˇr´ıpadˇe cubic je poˇcet ncurves (nvertices − 2). Atribut wrap je v pˇr´ıpadˇe Shave vˇzdy nonperiodic. Ne vˇsechny uvedené parametry kˇrivek jsou modulem Shave vˇzdy exportov´ any, volitelné jsou s, t a N_Srf.

(a) Cubic

(b) Linear

Obrázek 6.3: Porovn´ an´ı typ˚ u kˇrivek pˇri bliˇzˇs´ım pohledu. V (b) je vidˇet zlomy pˇri navazován´ı segment˚ u.

KAPITOLA 6. IMPLEMENTACE type ncurves nvertices wrap parameterlist "P" "width" "N_Srf" "s", "t"

41

Typ kˇrivky m˚ uˇze nab´ yvat hodnot linear nebo cubic Poˇcet kˇrivek (v souboru RIB odpov´ıdá poˇctu ˇc´ısel mezi hranat´ ymi z´ avorkami) Pole o velikosti ncurves, kde je uloˇzen poˇcet vrchol˚ u na kaˇzdou kˇrivku (v pˇr´ıkladu odpov´ıdá poli [6 6 6]) M˚ uˇze nab´ yvat hodnot nonperiodic (kˇrivky nenavazuj´ı) nebo periodic (navazuj´ı) Seznam parametr˚ u (nˇekteré mus´ı b´ yt deklarované pomoc´ı RiDeclare) P Pole vrchol˚ u (poˇcet je y standardn´ı ncurves nvertices), povinn´ parametr ˇıˇrky kˇrivek v r˚ S´ uzn´ ych m´ıstech (poˇcet závis´ı na typu) Norm´ alov´ y vektor povrchu v m´ıstˇe, kde kˇrivka vyr˚ ustá (poˇcet je ncurves) Hodnota souˇradnic textury pro m´ısto na povrchu, kde kˇrivka vyr˚ ust´ a (poˇcet je ncurves) Tabulka 6.2: Popis parametr˚ u pˇr´ıkazu RiCurves.

V dobˇe naˇc´ıt´ an´ı kˇrivek je jiˇz zn´ ama velikost simplifikace a m˚ uˇzeme tedy nˇekteré ˇcásti v souboru pˇreskakovat. Pˇri pouˇzit´ı gzip komprese na soubor RIB je tento postup bohuˇzel ne´ uˇcinn´ y, protoˇze i pˇreskakované ˇc´ asti mus´ı b´ yt rozbaleny. Kˇrivky m˚ uˇzeme naˇc´ıst do dynamicky alokovan´ ych pol´ı a zapouzdˇrit do tˇr´ıdy, jej´ıˇz struktura je na obrázku 6.4. Struˇcn´ y popis této tˇr´ıdy: • totalNumHair – Celkov´ y poˇcet vlas˚ u ve voxelu (bez simplifikace) • numSimplifiedHair – Poˇcet vlas˚ u, které budou zobrazeny (odeslány do rendereru) • nVertices – Poˇcet vrchol˚ u na jeden vlas (kˇrivku) • Scale(i, scale) – Vyn´ asob´ı ˇc´ıslem scale ˇs´ıˇrku i-tého vlasu, tj. uprav´ı hodnoty v poli width od adresy [i*nvertices] do [i*nvertices + nvertices - 1] vˇcetnˇe • Ostatn´ı atributy odpov´ıdaj´ı dat˚ um naˇcten´ ych z RIBu (tabulka 6.2) – width, nSrf, s, t a vertices (v souboru RIB odpov´ıdá "P")

Obr´ azek 6.4: Struktura tˇr´ıdy pro uloˇzen´ı vˇsech vlas˚ u (kˇrivek).

42


6.3.3

Algoritmus stochastick´ e simplifikace

Vˇsechna potˇrebn´ a data jsou naˇctena a nyn´ı je moˇzné na nˇe aplikovat simplifikaˇcn´ı algoritmus, kter´ y byl popsán v ˇc´ asti textu 4.4. Na tomto m´ıstˇe uvád´ım kód v jazyce C++, kter´ y vycház´ı z pˇr´ılohy k ˇclánku [CHPR07]. void Simplify(Hair &hair, float B, float B0, float h, float trans) { float b = B / B0; float lambda = (b >= 1) ? 1 : pow(b, log(0.5) / log(h)); // urˇ cen´ ı spr´ avn´ e velikosti pˇ rechodov´ e z´ ony (limitn´ ı pˇ r´ ıpady) float transEnd; if(lambda - trans < 0) transEnd = lambda; // bl´ ızko lev´ e hranice else if(lambda+trans > 1.0f) transEnd = 1 - lambda; // bl´ ızko prav´ e hranice else transEnd = trans; // bˇ eˇ zn´ y pˇ r´ ıpad // hranice pˇ rechodov´ e z´ ony float transEndRight = lambda + transEnd; float transEndLeft = lambda - transEnd; // poˇ cet vlas˚ u, kter´ e budou zobrazeny int numHair = int( transEndRight * hair.totalNumHair ); float sMax; // maxim´ aln´ ı velikost zvˇ etˇ sen´ ı pro dan´ e lambda float sMin; // minim´ aln´ ı velikost zvˇ etˇ sen´ ı pro dan´ e lambda if(lambda + trans < 1) { sMax = 1 / lambda; sMin = 0; } else { float tr = transEnd / trans; sMax = 1 / (1 - transEnd*tr); sMin = sMax * (1 - tr); } // ´ uprava pr˚ umˇ eru vlas˚ u for(int i = 0; i < numHair; ++i) { float x = (i + 0.5f) / hair.totalNumHair; // pozice v prioritn´ ı frontˇ e // interpolace pr˚ umˇ eru float sLerp; if(x < transEndLeft) sLerp = 1; else if(x < transEndRight) sLerp = (transEndRight - x) / (2 * transEnd); else sLerp = 0; // zvˇ etˇ sen´ ı pr˚ umˇ eru pro tento vlas float s = sMin + (sMax - sMin) * sLerp; hair.Scale(i, s); } // poˇ cet vlas˚ u, kter´ e se poˇ slou do rendereru hair.numSimplifiedHair = numHair; }


43

Popis parametr˚ u funkce Simplify: • hair – Tˇr´ıda (diagram na obr´ azku 6.3), která obsahuje vˇsechny vlasy voxelu. Pˇredpokl´ ad´ a se n´ ahodné rozm´ıstˇen´ı vlas˚ u v tomto poli. Algoritmus je aplikován pˇr´ımo na data tˇr´ıdy! • B – Poˇcet pixel˚ u ob´ alky ve viditelné oblasti. Odpov´ıdá promˇenné detail ve funkci Subdivide() v DLL. • B0 – Poˇcet pixel˚ u, kde zaˇc´ın´ a simplifikace. • h – Simplifikace je 50% pˇri h*B0 pixelech. • trans – Velikost pˇrechodové zóny. Parametry B0, h a trans jsou z´ısk´ any z RIBu prostˇrednictv´ım funkce ConvertParameters (viz v´ yˇse). Jedin´ ym ,,v´ ystupem” funkce Simplify je vlastnˇe zápis poˇctu simplifikovan´ ych vlas˚ u do hair.numSimplifiedHair a u ´prava pr˚ umˇeru vlas˚ u pomoc´ı funkce hair.Scale(). K urˇcen´ı poˇctu vlas˚ u, které je potˇreba naˇc´ıst, docház´ı v reálné implementaci samozˇrejmˇe dˇr´ıve (vlasy se nenaˇc´ıtaj´ı vˇsechny). V algoritmu uvedeném v´ yˇse pro jednoduchost uvaˇzuji, ˇze vlasy jsou naˇcteny vˇsechny. 6.3.4

V´ ystup do rendereru

Nyn´ı jsou k dispozici data, které je tˇreba vrátit do rendereru pro vykreslen´ı. Dosáhneme toho zavolán´ım funkc´ı RI API z knihovny implementace RenderMan. Pˇr´ıklad v jazyce C/C++ pro v´ ystup kˇrivek typu cubic: RiTransformBegin(); RiBasis(RiCatmullRomBasis, 1, RiCatmullRomBasis, 1); // deklarace parametr˚ u pro RiCurves RiDeclare("width", "varying float"); RiDeclare("N_Srf", "uniform normal"); RiDeclare("s", "uniform float"); RiDeclare("t", "uniform float"); // V´ ystup simplifikovan´ ych vlas˚ u pomoc´ ı RiCurves RiCurves("cubic", hair.numSimplifiedHairs, hair.nVertices, "nonperiodic", "P", hair.vertices, "width", hair.width, "N_Srf", hair.nSrf, "s", hair.s, "t", hair.t, RI_NULL); RiTransformEnd();

V pˇr´ıkladu je deklarace nestandardn´ıch parametr˚ u kˇrivek pomoc´ı RiDeclare a v´ ystup vlastn´ıch kˇrivek pomoc´ı pˇr´ıkazu RiCurves. Ve skuteˇcné implementaci je samozˇrejmˇe nutné poˇc´ıtat i s kˇrivkami typu linear. Nav´ıc ne vˇsechny parametry mus´ı b´ yt pomoc´ı Shave exportov´ any (nepovinné jsou s, t a N_Srf). Kaˇzdou moˇznost je nutné realizovat vlastn´ım volán´ım RiCurves. Pokud je simplifikace vypnuta resp. λ = 1, nen´ı v˚ ubec nutné naˇc´ıtat RIB. Staˇc´ı vrátit rendereru p˚ uvodn´ı RIB voxelu, kter´ y je potom vykreslen cel´ y (tj. bez simplifikace). To lze provést napˇr´ıklad vol´ an´ım funkce RiReadArchive. Nedocház´ı tak ke zpomalen´ı vykreslován´ı z d˚ uvodu zbyteˇcného naˇc´ıt´ an´ı RIBu voxelu.

44


6.4

St´ınovac´ı programy

St´ınován´ı mus´ı b´ yt implementov´ ano, aˇt uˇz se pouˇzije simplifikace nebo ne. St´ınovac´ı programy vhodné pro vlasy neb´ yvaj´ı souˇc´ ast´ı standardn´ıho vybaven´ı vykreslovac´ıch program˚ u. Jak bylo napsáno v ˇcásti 5.3.1, RenderMan pouˇz´ıvá surface shaders, které renderer volá po vyˇsetˇren´ı viditelnosti. St´ınovac´ı programy se implementuj´ı v jazyce RSL. Kaˇzd´ y shader je pˇreloˇzen do bajtkódu a interpretován pˇri vykreslov´ an´ı. 3Delight zde nab´ız´ı zaj´ımavou moˇznost automatického pˇrekladu z RSL do C++ (viz ˇc´ ast 7.1). Takto pˇreloˇzen´ y st´ınovac´ı program potom m˚ uˇze b´ yt velmi efektivn´ı. ´ Ukolem st´ınovac´ıho programu je vr´ atit barvu fragmentu osvˇetlovaného povrchu v závislosti na pozici pozorovatele a jednotliv´ ych svˇetel. Light Source

E

Vantage Point N

L

Illuminance Cone

I dPdu

P (u,v)

dPdv

Primitive Surface

Obrázek 6.5: Pracovn´ı prostˇred´ı surface shader v RenderMan. Obrázek pˇrejat z [Pix05].

Jméno Cs Os P dPdv u, v s, t L Cl Ol I Ci Oi

Typ color color point vector float float vector color color vector color color

Popis Z´ akladn´ı barva povrchu Z´ akladn´ı nepr˚ usvitnost povrchu Souˇradnice st´ınovaného bodu povrchu Derivace povrchu v m´ıstˇe P podle v (odpov´ıdá tangentˇe vlasu) Parametrizace povrchu Souˇradnice textury (stejné v rámci jednoho vlasu) Vektor ke svˇetlu Barva paprsku pˇr´ıchoz´ıho ze svˇetla Nepr˚ usvitnost paprsku pˇr´ıchoz´ıho ze svˇetla Vektor k pozorovateli V´ ysledn´ a barva smˇerem k pozorovateli V´ ysledn´ a nepr˚ usvitnost smˇerem k pozorovateli

Tabulka 6.3: Popis parametr˚ u prostˇred´ı surface shader d˚ uleˇzit´ ych pro vlasov´ y st´ınovac´ı program. Kompletn´ı popis je moˇzné nalézt v [Pix05]


45

Na obrázku 6.5 je nakresleno pracovn´ı prostˇred´ı surface shader. V tabulce 6.3 je popis jednotliv´ ych parametr˚ u, které jsou potˇreba pro vlasov´ y st´ınovac´ı program. Pˇri st´ınován´ı jiˇz nemáme ˇz´ adné glob´ aln´ı informace o vlasové geometrii, ale pouze lokáln´ı informace o st´ınovaném ´ bodu. Upln´ y popis st´ınovac´ıch program˚ u v RenderMan lze naj´ıt v [Pix05]. 6.4.1

Kajiya & Kay

Zde je uvedena cel´ a implementace v jazyce RSL osvˇetlovac´ıho modelu Kajiya & Kay, kter´ y byl popsán v ˇc´ asti 3.1: surface kajiya( float Ka = 0.1; // statick´ a ambientn´ ı sloˇ zka float Kd = 0.7; // dif´ uzn´ ı sloˇ zka float Ks = 0.2; // zrcadlov´ a sloˇ zka float Roughness = 0.05; // ostrost zrcadlov´ eho odrazu color RootColor = color(0.517, 0.383, 0.259); // barva vlas˚ u u koˇ rene string RootColorMap = ""; color TipColor = color(0.517, 0.383, 0.259); // barva vlas˚ u na ˇ spiˇ cce string TipColorMap = ""; color SpecularColor = color(0.916, 0.762, 0.620); // barva zrcadlov´ e sloˇ zky color TipOpacity = color(0.1); // pr˚ uhlednost na ˇ spiˇ cce ) { // z´ ısk´ an´ ı barev z textury color root = Cs * RootColor; if(RootColorMap != "") root *= texture(RootColorMap, s, t); color tip = Cs * TipColor; if(TipColorMap != "") tip *= texture(TipColorMap, s, t); // v´ ypoˇ cet a nepr˚ usvitnosti barvy interpolac´ ı color finalColor = mix(root, tip, v); color finalOpacity = mix(color(1), TipOpacity, v); vector T = normalize(dPdv); // vector V = -normalize(I); // float TV = T . V; // float sTV = sqrt(1.0 - TV*TV); // float invRough = 1.0 / Roughness;

tangenta vlasu vektor k pozorovateli skal´ arn´ ı souˇ cin sin(T,V)

// v´ ypoˇ cet osvˇ etlen´ ı ze vˇ sech svˇ etel color Cspec = 0, Cdiff = 0; illuminance(P) { vector nL = normalize(L); float TL = T . nL; float sTL = sqrt(1.0-TL*TL); // sin(T,L) Cdiff += Cl * sTL; Cspec += Cl * pow(TL*TV + sTL*sTV, invRough); } Oi = Os * finalOpacity; color amb = Ka * ambient() * finalColor; color diff = Kd * Cdiff * finalColor; color spec = Ks * Cspec * SpecularColor; Ci = (amb + diff + spec) * Oi; }

// // // // //

v´ ysledn´ a nepr˚ usvitnost statick´ a ambientn´ ı sloˇ zka dif´ uzn´ ı sloˇ zka zrcadlov´ a sloˇ zka v´ ysledn´ a barva

46


Kaˇzd´ y surface shader mus´ı obsahovat deklaraci st´ınovac´ı funkce surface a v´ ychoz´ı nastaven´ı parametr˚ u. Tyto parametry lze nastavovat prostˇrednictv´ım grafického rozhran´ı v Maye ystupem kaˇzdého programu pro st´ınován´ı povrchu je vˇzdy barva Ci a nepr˚ usvitnost [3De07b]. V´ Oi. Barva vlasu jako vstup do osvˇetlovac´ıho modelu se z´ıská interpolac´ı barvy u koˇrene resp. na ˇspiˇcce vlasu (promˇenn´ a finalColor). Barvu u koˇrene resp. na ˇspiˇcce je moˇzné naˇc´ıst z textury (RootColorMap resp. TipColorMap). Souˇradnice (s, t) odpov´ıdaj´ı parametrizaci plochy v m´ıstˇe odkud vlas vyr˚ ustá. Kaˇzd´ y vlas tak m˚ uˇze m´ıt jinou barvu – urˇcenou z textury. Pokud nejsou textury k dispozici, pouˇzij´ı se uniformn´ı parametry RootColor resp. TipColor. Ve st´ınovac´ım programu je také implementováno nastavitelné sniˇzován´ı pr˚ uhlednosti vlasu na jeho konci (viz v´ ypoˇcet finalOpacity), coˇz se vyuˇz´ıvá pro sn´ıˇzen´ı aliasingu na tenké ˇspiˇcce vlasu. Dále následuje vlastn´ı v´ ypoˇcet sloˇzek osvˇetlen´ı dle Kajiya & Kay, z praktick´ ych d˚ uvod˚ u byl model doplnˇen o statickou ambientn´ı sloˇzku. V ˇcásti illuminance se sˇc´ıtaj´ı pˇr´ıspˇevky od jednotliv´ ych svˇetel. Na závˇer je nutné v´ yslednou barvu Ci vynásobit vypoˇc´ıtanou nepr˚ usvitnost´ı Oi. Vlasy vykreslené pomoc´ı tohoto st´ınovac´ıho programu si m˚ uˇzete prohlédnout v ˇcásti 7.1. 6.4.2

Marschner

Implementace tohoto modelu byla teoreticky popsána v ˇcásti 3.2. Je tˇreba vytvoˇrit ˇreˇsitel kubické rovnice a jedn´ım z problém˚ um m˚ uˇze b´ yt urˇcen´ı vektor˚ u tvoˇr´ıc´ıch souˇradn´ y systém vlasu. Ve st´ınovac´ım programu m´ ame totiˇz k dispozici pouze tangentu a Marschner˚ uv model potˇrebuje jeˇstˇe vektor urˇcuj´ıc´ı orientaci vlasu. Je moˇzné pouˇz´ıt náhodn´ y vektor, kter´ y je kolm´ y na tangentu. Tento vektor mus´ı b´ yt spojit´ y v rámci vlasu. Pro inicializaci gener´ atoru n´ ahodn´ ych ˇc´ısel m˚ uˇzeme pouˇz´ıt (s, t) souˇradnice textury, které jsou pro kaˇzdé vl´ akno unik´ atn´ı. Bohuˇzel v RSL nen´ı k dispozici dostateˇcnˇe kvalitn´ı generátor náhodn´ ych ˇc´ısel. Pouˇzil jsem tento k´ od, kter´ y d´ av´ a pˇrijatelné v´ ysledky: // pseudon´ ahodn´ e ˇ c´ ıslo (0, 1) float rand(float seed) { float next = seed * 1103515245 + 12345; return mod((next/65536), 32768) / 32767; } // unik´ atn´ ı identifik´ ator vlasu urˇ cen´ y pomoc´ ı souˇ radnic do textury (s, t) float hairID = s*4095 + t*16777215; // ´ uhel, kter´ y se pouˇ zije pro n´ ahodnou rotaci kolm´ eho vektoru float rnd = ( rand(hairID) + noise(hairID) ) * 180;

Pomoc´ı souˇradnic (s, t) se vypoˇcte unik´ atn´ı identifikátor vlasu hairID, kter´ y slouˇz´ı pro inicializaci generátoru pseudon´ ahodn´ ych ˇc´ısel s rovnomˇern´ ym rozdˇelen´ım rand(). Tato jednoduchá funkce je pˇr´ıliˇs systematick´ a, proto jsem pouˇzil jeˇstˇe vestavˇenou ˇsumovou funkci RSL noise(),


47

která samostatnˇe také ned´ av´ a dobré v´ ysledky. Promˇenná rnd je u ´hel 0◦ aˇz 360◦ , kter´ y se d´ ale pouˇzije pro rotaci souˇradného systému (viz ˇcást 3.2.1). Na ,,kvalitˇe” náhodné rotace z´ avis´ı kaustiky v sekund´ arn´ım odrazu (tˇrpyt vlas˚ u). Celá implementace Marschnerova modelu je pomˇernˇe rozsáhlá a v´ ysledn´ y st´ınovac´ı program je o dost pomalejˇs´ı neˇz Kajiya & Kay. Vlasy vykreslené pomoc´ı tohoto st´ınovac´ıho programu si m˚ uˇzete prohlédnout v ˇcásti 7.1.

48


´ KAPITOLA 7. VYSLEDKY

49

7 V´ ysledky Vykreslov´ an´ı vˇsech scén prob´ıhalo pomoc´ı 3Delight RenderMan na poˇc´ıtaˇci Intel Core 2 Duo 2.13 GHz s 2 GB pamˇeti.

7.1

Osvˇ etlovac´ı modely

V této ˇc´ asti uv´ ad´ım nˇekolik obr´ azk˚ u jako ukázku st´ınovac´ıch program˚ u implementovan´ ych vlasov´ ych osvˇetlovac´ıch model˚ u.

(a) Kajiya & Kay

(b) Marschner

Obrázek 7.1: Porovn´ an´ı implementac´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u. Model Kajiya & Kay neobsahuje sekundárn´ı odraz, Marschner˚ uv model zase dif´ uzn´ı sloˇzku.

(a) R – Prim´ arn´ı odraz

(b) TRT – Sekundárn´ı odraz

Obr´ azek 7.2: Sloˇzky Marschnerova osvˇetlovac´ıho modelu.


50

Pouˇzit´ y model obsahuje 50 000 vlas˚ u, rozliˇsen´ı obrázku bylo 1400 × 1050 a vzorkován´ı pixelu 8 × 8. Rozliˇsen´ı st´ınové mapy bylo 512 × 512 a vzorkován´ı 8 × 8. V´ ykonnostn´ı srovnán´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u je v tabulce 7.1. Obr´ azek

Osvˇetlovac´ı Model

7.1 (a)

Kajiya & Kay

7.1 (b)

Marschner˚ uv

Pˇreklad RSL C++ RSL C++

ˇ (min) Cas 5:42 5:38 8:31 7:17

Tabulka 7.1: Porovn´ an´ı rychlosti osvˇetlovac´ıch model˚ u. St´ınovac´ı programy byly pˇreloˇzeny do bajtkódu (RSL) a do strojového k´ odu (C++). Uvedené ˇcasy zahrnuj´ı pouze závˇereˇcn´ y pr˚ uchod (tj. bez generov´ an´ı RIBu a st´ınové mapy). St´ınovac´ı programy lze pˇreloˇzit do bajtk´ odu, kter´ y je interpretován pˇri vykreslován´ı: shaderdl kajiya.sl Pro zv´ yˇsen´ı rychlosti st´ınov´ an´ı podporuje 3Delight pˇreklad do strojového kódu: shaderdl --dso -O3 kajiya.sl Tento pˇr´ıkaz nejprve pˇrevede RSL na C++ kód, kter´ y je poté pˇreloˇzen do strojového kódu (napˇr´ıklad Visual Studiem ˇci jin´ ym pˇrekladaˇcem) [3De07a]. Oba typy pˇrekladu jsem otestoval. Urychlen´ı st´ınov´ an´ı je patrné pouze u Marschnerova modelu, u jednoduch´ ych st´ınovac´ıch program˚ u typu Kajiya & Kay se pˇreklad do strojového kódu nevyplat´ı. Vizuáln´ı srovnán´ı obou osvˇetlovac´ıch model˚ u je na obrázku 7.1. Na obrázku 7.2 jsou vidˇet jednotlivé sloˇzky (R a TRT) Marschnerova modelu. Ve scénˇe bylo pouˇzito pouze jedno svˇetlo (pˇribliˇznˇe v pozici kamery). Z obr´ azk˚ u je patrné, ˇze model Kajiya & Kay neobsahuje sekundárn´ı odraz TRT (tˇrpyt vlas˚ u) a Marschner˚ uv model zase dif´ uzn´ı sloˇzku.

(a) s dif´ uzn´ı sloˇzkou

(b) bez dif´ uzn´ı sloˇzky

Obrázek 7.3: Marschner˚ uv model vˇcetnˇe zadn´ıho nasv´ıcen´ı (TT sloˇzka). Bez dif´ uzn´ı sloˇzky je nasv´ıcen´ı pomoc´ı dvou svˇetel vˇetˇsinou nedostateˇcné.

Obrázek 7.3 obsahuje i TT sloˇzku, tj. zadn´ı nasv´ıcen´ı zp˚ usobené svˇetlem um´ıstˇen´ ym za modelem vlas˚ u proti kameˇre. Bez dif´ uzn´ı sloˇzky je obrázek nedostateˇcnˇe osvˇetlen. Pro samostatn´ y Marschner˚ uv model by bylo nutné pouˇz´ıt komplexn´ı environment mapu pro nasv´ıcen´ı, coˇz


51

by bylo v´ ypoˇcetnˇe ne´ unosné. Proto je ˇcasto implementace doplnˇena o dif´ uzn´ı sloˇzku (zde vypoˇctenou pomoc´ı norm´ alového vektoru povrchu – ,,Myˇsák Stuart”, viz ˇcást 3.1.1). Marschner˚ uv model je pomalejˇs´ı oproti jednoduchému st´ınovac´ımu programu Kajiya & Kay. Pˇresto se v produkci pouˇz´ıv´ a Marschner, protoˇze dosahuje realistiˇctˇejˇs´ıch v´ ysledk˚ u d´ıky efekt˚ um – sekundarn´ı odraz (tˇrpyt vlas˚ u) a zadn´ı nasv´ıcen´ı. Oba modely se daj´ı kombinovat, typicky je implementov´ ana dif´ uzn´ı sloˇzka jako doplnˇek Marschnera.

7.2 7.2.1

Simplifikace Animovan´ y vlk

Pro otestov´ an´ı simplifikace jsem zvolil scénu se 100 000 chlupy a tˇremi svˇetly. Ve skuteˇcnˇe reálné scénˇe m˚ uˇze b´ yt i mili´ on chlup˚ u a pˇres deset svˇetel. Z ˇcasov´ ych d˚ uvod˚ u jsem zvolil menˇs´ı scénu, protoˇze bylo nutné otestovat animaci. I tak trvalo vykreslován´ı na pouˇzitém poˇc´ıtaˇci ˇrádovˇe hodiny. Pro st´ınov´ an´ı jsem pouˇzil Kajiya & Kay i Marschner˚ uv model. Celá sekvence m´ a 192 sn´ımk˚ u (8 sekund), kamera se postupnˇe vzdaluje od animovaného vlka. Rozliˇsen´ı sn´ımk˚ u je 768 × 576 (PAL), vzorkován´ı pixelu 4 × 4. St´ınové mapy (deep shadow maps) mˇely rozliˇsen´ı 512 × 512 a vzorkován´ı 8 × 8. Nastaven´ı parametr˚ u simplifikace (v´ yznam parametr˚ u je v pˇr´ıloze B.3): Number Of Pixels: Half Ratio: Transition Region: Minimum Of Hair: Maximum Of Hair:

Color pass 100 000 0.4 0.2 0.1 –

Shadow pass 100 000 0.4 0.2 0.05 0.3

Simplifikace ve st´ınovém pr˚ uchodu závis´ı na pozici svˇetla a protoˇze se vlk v˚ uˇci svˇetlu pˇr´ıliˇs nepohybuje, je témˇeˇr celou sekvenci konstantn´ı. Na st´ıny ovˇsem nen´ı lidské oko tak citlivé, ve st´ınov´ ych pr˚ uchodech lze proto zjednoduˇsovat agresivnˇeji. V pouˇzit´ı sekvenci bylo kresleno pouze 10% chlup˚ u pro prvn´ı dvˇe svˇetla a asi 30% pro svˇetlo tˇret´ı, které se nacház´ı bl´ıˇze k modelu. ad´ım pro zaj´ımavost srovnán´ı simplifikace v detailn´ım pohledu s referenˇcn´ı Na obrázku 7.4 uv´ scénou. V b) jsou chlupy oproti a) viditelnˇe zvˇetˇseny.

(a) Referenˇcn´ı

(b) Simplifikace (20% chlup˚ u)

Obr´ azek 7.4: Srovn´ an´ı simplifikace v detailn´ım pohledu s referenˇcn´ı scénou.


52

Prvn´ıch 40 sn´ımk˚ u animace je pomˇernˇe detailn´ı zábˇer, takˇze simplifikace se v závˇereˇcném pr˚ uchodu vykreslov´ an´ı pˇr´ıliˇs neuplatˇ nuje. Se vzr˚ ustaj´ıc´ı vzdálenost´ı roste pomalu i simplifikace – aˇz na koneˇcn´ ych 20% zobrazen´ ych chlup˚ u (asi od 150. sn´ımku). Vykreslen´ı celé sekvence trvalo (v hodin´ ach): Osvˇetlovac´ı model Kajiya & Kay Marschner

Referenˇcn´ı Simplifikace 3:36:05 2:05:19 4:34:45 2:47:27

Pomˇer 0.58 0.61

Do ˇcas˚ u nen´ı zapoˇc´ıt´ ano generov´ an´ı RIB soubor˚ u s chlupy v kaˇzdém sn´ımku, které dohromady trvalo 51:42 minut. Shave od verze 5.0 podporuje v´ıce-vláknové generován´ı RIBu. Vyt´ıˇzen´ı obou procesor˚ u bylo celou dobu jen 50%! Pravdˇepodobnˇe se jedná o chybu nebo ˇspatné nastaven´ı Shave a v´ ysledn´ y ˇcas by mohl b´ yt poloviˇcn´ı pˇri plném vyt´ıˇzen´ı obou procesor˚ u. Nyn´ı se pod´ıvejme bl´ıˇze na tˇri vybrané sn´ımky (1, 95 a 155), které se liˇs´ı vzdálenost´ı kamery od modelu. Srovn´ an´ı simplifikace s referenˇcn´ı scénou je na obrázku 7.6 (Kajiya & Kay model) a na obrázku 7.7 (Marschner˚ uv model). Pr˚ uchod St´ınov´ y1 St´ınov´ y2 St´ınov´ y3 Závˇereˇcn´ y P

Referenˇcn´ı Kajiya Marschner 12.85 14.56 7.84 7.97 16.39 15.75 58.55 112.38 95.63 150.66

Simplifikace Chlup˚ u Kajiya Marschner 10% 3.35 3.66 10% 2.90 3.19 29.2% 10.78 10.83 100% 58.27 112.04 – 75.3 129.72

Bez chlup˚ u 2.82 2.47 9.01 10.55 24.85

Tabulka 7.2: Doba vykreslován´ı sn´ımku 1 (ˇcasy jsou v sekundách). Pr˚ uchod St´ınov´ y1 St´ınov´ y2 St´ınov´ y3 Závˇereˇcn´ y P


Simplifikace Chlup˚ u Kajiya Marschner 11.8% 3.65 3.69 10% 3.19 3.23 33.2% 11.30 11.08 50.5% 18.39 27.73 – 36.53 45.73

Bez chlup˚ u 2.82 2.41 8.67 8.65 22.55

Tabulka 7.3: Doba vykreslován´ı sn´ımku 95 (ˇcasy jsou v sekundách). Pr˚ uchod St´ınov´ y1 St´ınov´ y2 St´ınov´ y3 Závˇereˇcn´ y P


Simplifikace Chlup˚ u Kajiya Marschner 10.6% 3.73 3.67 10% 3.19 3.30 31.9% 11.32 11.14 20% 8.17 11.29 – 26.41 29.4

Bez chlup˚ u 2.83 2.38 8.71 4.53 18.45

Tabulka 7.4: Doba vykreslov´ an´ı sn´ımku 155 (ˇcasy jsou v sekundách). Sn´ımek 1 je detailn´ı z´ abˇer ze zaˇc´ atku animace, namˇeˇrené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 7.2. Uvedeny jsou i ˇcasy vykreslov´ an´ı scény bez chlup˚ u (tj. pouze s polygonáln´ı geometrii modelu)


53

a v procentech je poˇcet vykreslovan´ ych chlup˚ u (velikost simplifikace). Vid´ıme, ˇze zjednoduˇsen´ı je pouze ve st´ınov´ ych pr˚ uchodech. Sn´ımek 95 je pˇribliˇznˇe v polovinˇe celé sekvence. Namˇeˇrené hodnoty jsou v tabulce 7.3. Kamera je jiˇz dále, takˇze simplifikovat lze nyn´ı i v závˇereˇcném pr˚ uchodu. Doba vykreslován´ı chlup˚ u ˇ v závˇereˇcném pr˚ uchodu tak klesla skoro na polovinu. Casy pro vytvoˇren´ı st´ınov´ ych map jsou pˇribliˇznˇe stejné jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe. Sn´ımek 155 je ze z´ avˇeru animace, kdy je v závˇereˇcném pr˚ uchodu vykreslováno pouze 20% chlup˚ u. Namˇeˇrené hodnoty jsou v tabulce 7.4. Na pˇriloˇzeném CD (viz pˇr´ıloha C) jsou pro srovnán´ı uloˇzeny vykreslené animované sekvence. D˚ uleˇzité je, ˇze v simplifikovan´ ych sekvenc´ıch nejsou vidˇet artefakty (popping efect) pˇri ,,mizen´ı” chlup˚ u. Nastaven´ı simplifikace bylo provedeno tak, aby v´ ysledn´ y obrázek byl témˇeˇr k nerozeznán´ı od p˚ uvodn´ıho modelu se vˇsemi chlupy. P˚ uvodn´ı model ovˇsem divák nevid´ı, takˇze nemá s ˇc´ım srovnávat. Simplifikaci je tak moˇzné nastavit agresivnˇeji a doc´ılit vˇetˇs´ıho zrychlen´ı ˇ na vykreslen´ı scény ,,bez Pouˇzitá scéna neobsahuje pˇr´ıliˇs velké mnoˇzstv´ı chlup˚ u ani svˇetel. Cas chlup˚ u” tak nen´ı u ´plnˇe zanedbateln´ y. 7.2.2

Hromadn´ a sc´ ena

V pˇredchoz´ı scénˇe byl pomˇernˇe mal´ y poˇcet chlup˚ u a svˇetel. Pro lepˇs´ı zmˇeˇren´ı v´ ykonu simplifikace jsem proto pouˇzil sloˇzitˇejˇs´ı scénu. V této hromadné scénˇe je celkem 1 000 000 chlup˚ ua 4 svˇetla (coˇz je maximum pˇri pouˇzit´ı volné licence 3Delight). Ve scénˇe se nacház´ı deset vlk˚ u, kde kaˇzd´ y m´ a 100 000 chlup˚ u a byl osvˇetlen pomoc´ı Marschnerova modelu, kter´ y se pouˇz´ıv´ a v´ıce neˇz model Kajiya & Kay, protoˇze vykreslené obrázky jsou reálnˇejˇs´ı. Namˇeˇrené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 7.5. Vykresloval jsem pouze jeden sn´ımek. Referenˇcn´ı scéna a r˚ uznˇe simplifikované sn´ımky jsou na obrázc´ıch 7.8 a 7.9.

S1 S2 S3 S4 Z P

0% 6.86 4.19 4.99 5.09 6.38 27.51

23.3% 20.89 12.85 22.65 19.83 102.48 178.7

26.5% 20.6 12,85 22.81 20.01 109.1 185.37

32.4% 20.99 12.76 22.51 20.01 120.63 196.9

37.9% 20.48 12.83 22.37 20.01 135.59 211.28

47.9% 20.88 12.83 22.62 20.44 170.51 247.28

57.6% 22.1 13.11 22.39 20.66 194.6 272.86

73.4% 20.64 12.77 22.87 20.16 244.14 320.58

82.9% 20.69 13.06 22.84 20.44 269.72 346.75

100% 61.12 60.65 84.15 86.2 335.02 627.14

Tabulka 7.5: Doba vykreslov´ an´ı hromadné scény v závislosti na poˇctu zobrazen´ ych chlup˚ u v závˇereˇcném pr˚ uchodu. V prvn´ım ˇrádku jsou uvedena procenta zobrazen´ ych chlup˚ u v závˇereˇcném pr˚ uchodu. S1 aˇz S4 oznaˇcuj´ı st´ınové pr˚ uchody (pro simplifikované scény jsou ˇcasy pˇribliˇznˇe stejné), Z je z´ avˇereˇcn´ y pr˚ uchod. Vˇsechny ˇcasy jsou uvedeny v sekundách. Sloupec tabulky oznaˇcen´ y jako 0% odpov´ıdá scénˇe bez chlup˚ u a 100% referenˇcn´ı scénˇe se vˇsemi chlupy. Uveden´ a procenta jsou pomˇer zobrazen´ ych chlup˚ u ku celkovému poˇctu v závˇereˇcném pr˚ uchodu. Vlci jsou v r˚ uzn´ ych vzd´ alenostech od kamery, takˇze chlupy nejsou u ´plnˇe rovnocenné. Uvedená procenta tak berme jako orientaˇcn´ı. Simplifikace st´ınov´ ych map byla ve vˇsech pˇr´ıpadech kromˇe referenˇcn´ıho sn´ımku nastavena na stejnou hodnotu. Opˇet se ukazuje, ˇze ve st´ınovém pr˚ uchodu lze simplifikovat daleko agresivnˇeji neˇz v závˇereˇcném. Vykreslov´ an´ı st´ınov´ ych map tak lze urychlit na ˇctvrtinu ˇci dokonce jeˇstˇe


54

ménˇe p˚ uvodn´ı doby bez v´ yrazné zmˇeny vizuáln´ı kvality! To je velmi d˚ uleˇzité zjiˇstˇen´ı, protoˇze v reálnˇe scénˇe m˚ uˇze b´ yt i pˇres deset svˇetel. Vykreslován´ı st´ınov´ ych map pak m˚ uˇze trvat delˇs´ı dobu neˇz samotn´ y z´ avˇereˇcn´ y pr˚ uchod. Na obrázku 7.5 je graf doby vykreslov´ an´ı (jen závˇereˇcn´ y pr˚ uchod) v závislosti na velikosti simplifikace. Rychlost roste pˇribliˇznˇe lineárnˇe s velikost´ı simplifikace a algoritmus má velmi n´ızké náklady. 100

90

80

Zobrazených chlupů [%]

70

60

50

40

30

20

10

0 0

50

100

150

200

250

300

350

Čas [s]

Obrázek 7.5: Graf doby vykreslov´ an´ı z´ avˇereˇcného pr˚ uchodu v závislosti na velikosti simplifikace (procentu zobrazen´ ych chlup˚ u).


(a) Referenˇcn´ı

55

(b) Simplifikace

Obrázek 7.6: Vlk osvˇetlen´ y pomoc´ı modelu Kajiya & Kay. V prvn´ım ˇrádku je sn´ımek 1, v druhém sn´ımek 95 a ve tˇret´ım sn´ımek 155. Vlevo je referenˇcn´ı sn´ımek a vpravo simplifikovan´ a verze (1. ˇr´ adek – 100% chlup˚ u, 2. ˇr´ adek – 50% a 3. ˇrádek – 20% v závˇereˇcném pr˚ uchodu).


56

(a) Referenˇcn´ı

(b) Simplifikace

Obrázek 7.7: Vlk osvˇetlen´ y pomoc´ı Marschnerova modelu. V prvn´ım ˇrádku je sn´ımek 1, v druhém sn´ımek 95 a ve tˇret´ım sn´ımek 155. Vlevo je referenˇcn´ı sn´ımek a vpravo simplifikovaná verze (1. ˇrádek – 100% chlup˚ u, 2. ˇr´ adek – 50% a 3. ˇrádek – 20% v závˇereˇcném pr˚ uchodu).


57

Obrázek 7.8: Hromadn´ a scéna s vlky. V prvn´ım ˇrádku je referenˇcn´ı sn´ımek (100% chlup˚ u, 10:27 minut), v druhém simplifikovan´ y (73.4% chlup˚ u, 5:21 minut).

58


Obrázek 7.9: Hromadn´ a scéna s vlky. V prvn´ım ˇrádku je simplifikovan´ y sn´ımek (47.9% chlup˚ u, 4:07 minut), v druhém (23.3% chlup˚ u, 2:58 minut).

´ ER ˇ KAPITOLA 8. ZAV

59

8 Z´ avˇ er V této diplomové pr´ aci jsem se zab´ yval efektivn´ım zobrazován´ım vlas˚ u a chlup˚ u. Tento problém je i v dneˇsn´ı dobˇe st´ ale aktu´ aln´ı. Vlas˚ u a chlup˚ u b´ yvá v realistick´ ych hromadn´ ych scén´ ach ohromné mnoˇzstv´ı, coˇz dok´ aˇze zamˇestnat dneˇsn´ı a pravdˇepodobnˇe i budouc´ı generace poˇc´ıtaˇc˚ u. Popsal jsem tˇri nejbˇeˇznˇejˇs´ı vykreslovac´ı algoritmy (Z-buffer, ray tracing, reyes) v kontextu zobrazov´ an´ı vlas˚ u. Pˇri produkˇcn´ım vykreslován´ı se ˇcasto pouˇz´ıvá standard RenderMan, kter´ y pouˇz´ıvá algoritmus reyes. Cel´ a implementace je proto urˇcena pro komerˇcn´ı renderer, kter´ y je zaloˇzen pr´ avˇe na tomto standardu. Teoreticky jsem rozebral dva nejzn´ amˇejˇs´ı osvˇetlovac´ı modely, které se v souˇcasnosti pouˇz´ıvaj´ı ˇ asteˇcnˇe byla zm´ınˇena i r˚ pro st´ınov´ an´ı vlas˚ u. C´ uzná rozˇs´ıˇren´ı a u ´pravy tˇechto základn´ıch model˚ u. Osvˇetlovac´ı model Kajiya & Kay je z roku 1989, a pˇresto se dodnes hojnˇe pouˇz´ıvá. Jeho v´ yhodou je jednoduchost, snadn´ a implementace a rychlost. Novˇejˇs´ı Marschner˚ uv model je sloˇzitˇejˇs´ı a pomalejˇs´ı. Dosahuje ale mnohem realistiˇctˇejˇs´ıch v´ ysledk˚ u neˇz star´ y model. Predikuje totiˇz nové efekty, jako je sekundárn´ı odraz (barevn´ y tˇrpyt) a zadn´ı nasv´ıcen´ı. Model Kajiya & Kay i Marschner˚ uv model se podaˇrilo implementovat pro RenderMan jako st´ınovac´ı programy a jiˇz je pouˇz´ıvá studio UPP (Universal Production Partners). Z metod pro zrychlen´ı zobrazov´ an´ı jsem vybral stochastickou simplifikaci, která je vhodná pro implementaci do vykreslovac´ıho programu standardu RenderMan. Zde jsem vyuˇzil moˇznosti modifikovat zobrazovac´ı ˇretˇezec prostˇrednictv´ım proceduráln´ıch primitiv. V´ ysledn´ y program spolupracuje s grafick´ ym editorem Autodesk Maya, zásuvn´ ym modulem Shave and a Haircut a vykreslovac´ım programem 3Delight RenderMan. Vˇsechny uvedené aplikace se pouˇz´ıvaj´ı v produkˇcn´ım prostˇred´ı. Vytvoˇren´ y program nijak dramaticky nemˇen´ı zaˇzité postupy pro tvorbu chlup˚ u v produkci, a m˚ uˇze tak b´ yt nasazen pro optimalizaci vykreslov´ an´ı ve filmu. Co se t´ yˇce v´ ykonnosti simplifikaˇcn´ıho algoritmu, bylo dosaˇzeno oˇcekávaného lineárn´ıho zrychlen´ı (poloviˇcn´ı poˇcet vlas˚ u se vykresluje poloviˇcn´ı dobu). D˚ uleˇzitá je moˇznost agresivn´ı simplifikace st´ınov´ ych map, kdy st´ıny nemaj´ı podstatn´ y vliv na vizuáln´ı kvalitu. I vykreslov´ an´ı detailn´ıch z´ abˇer˚ u je proto moˇzné v´ yraznˇe urychlit. Námˇetem pro moˇzné rozˇs´ıˇren´ı pr´ ace je implementace nástroje pro modelován´ı vlas˚ u, kter´ y by tak nahradil z´ asuvn´ y modul Shave and a Haircut. Potom by bylo moˇzné vlasy generovat aˇz pˇr´ımo pˇri vykreslov´ an´ı v mnoˇzstv´ı dle velikosti simplifikace. Simplifikaˇcn´ı algoritmus by mohl b´ yt vylepˇsen napˇr´ıklad o podporu efekt˚ u rozostˇren´ı pohybem (motion blur) a hloubky ostrosti (depth of field). Tyto efekty samozˇrejmˇe mohou také ovlivˇ novat velikost simplifikace. Bohuˇzel implementace by vyˇzadovala daleko vˇetˇs´ı modifikace zobrazovac´ıho ˇretˇezce, neˇz je moˇzné. Nelze totiˇz upravovat zdrojov´ y kód komerˇcn´ıch aplikac´ı. Nav´ıc by byla nejsp´ıˇs nutn´ a i vˇetˇs´ı zmˇena zaveden´ ych postup˚ u pouˇz´ıvan´ ych v produkci.

60

´ ER ˇ KAPITOLA 8. ZAV

KAPITOLA 9. SEZNAM LITERATURY

61

9 Seznam literatury [3De07a]

The 3Delight Team. 3Delight 7.0 User’s Manual, 2007. http://www.3delight.com/en/uploads/docs/3delight/3delight.pdf.

[3De07b]

The 3Delight Team. 3Delight For Maya 3.0, 2007.

[Alt08]

Joseph Alter. Shave and a Haircut version 5.0, 2008. http://www.joealter.com/newSite/Manual50.pdf.

[Apo00]

Tony Apodaca. How PhotoRealistic RenderMan works. In SIGGRAPH 2000 Course 40: Advanced RenderMan 2: To RI INFINITY and Beyond, 2000.

[Bat03]

Dana Batali. The evolution of RIB: Plumbing the production pipeline. In SIGGRAPH 2003 Course 9: RenderMan, Theory and Practice, 2003.

[BK85]

Willem F. Bronsvoort and Fopke Klok. Ray tracing generalized cylinders. ACM Trans. Graph., 4(4):291–303, 1985.

[Bre00]

Rob Bredow. Fur in Stuart Little. In SIGGRAPH 2000 Course 40: Advanced RenderMan 2: To RI INFINITY and Beyond, 2000.

[CCC87]

Robert L. Cook, Loren Carpenter, and Edwin Catmull. The reyes image rendering architecture. In SIGGRAPH ’87: Proceedings of the 14th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 95–102, New York, NY, USA, 1987. ACM.

[CHPR07] Robert L. Cook, John Halstead, Maxwell Planck, and David Ryu. Stochastic simplification of aggregate detail. ACM Transaction Graphics, 26(3):79, 2007. [Eve01]

Cass Everitt. Interactive order-independent transparency. Technical report, NVidia Corporation, 2001. http://developer.nvidia.com/object/Interactive Order Transparency.html.

[GM03]

Laurent Grisoni and Damien Marchal. High performance generalized cylinders visualization. In SMI ’03: Proceedings of the Shape Modeling International 2003, page 257, Washington, DC, USA, 2003. IEEE Computer Society.

[Gol97]

Dan B. Goldman. Fake fur rendering. In SIGGRAPH ’97: Proceedings of the 24th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 127–134, New York, NY, USA, 1997. ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co.

[Gou02]

David Gould. Complete Maya Programming: An Extensive Guide to MEL and C++ API (The Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics). Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, 2002.

[Hop96]

Hugues Hoppe. Progressive meshes. In SIGGRAPH ’96: Proceedings of the 23rd annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 99–108, New York, NY, USA, 1996. ACM.

[Kan04]

Paul Kanyuk. Implementing Marschner’s light scattering model for human hair fibers, 2004. University of Pennsylvania http://cg.cis.upenn.edu/∼pkanyuk/tech/hair paper.pdf.

[Kim03]

Tae-Yong Kim. Algorithms for hardware accelerated hair rendering, 2003. Rhythm & Hues Studio.

62

KAPITOLA 9. SEZNAM LITERATURY

[KK89]

J. T. Kajiya and T. L. Kay. Rendering fur with three dimensional textures. SIGGRAPH Computer Graphics, 23(3):271–280, 1989.

[KN01]

Tae-Yong Kim and Ulrich Neumann. Opacity shadow maps. In Proceedings of the 12th Eurographics Workshop on Rendering Techniques, pages 177–182, London, UK, 2001. Springer-Verlag.

[LV00]

Tom Lokovic and Eric Veach. Deep shadow maps. In SIGGRAPH ’00: Proceedings of the 27th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 385–392, New York, NY, USA, 2000. ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co.

[MJC+ 03] Stephen R. Marschner, Henrik Wann Jensen, Mike Cammarano, Steve Worley, and Pat Hanrahan. Light scattering from human hair fibers. ACM Transactions on Graphics, 22(3):780–791, 2003. [Ney98]

Fabrice Neyret. Modeling, animating, and rendering complex scenes using volumetric textures. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 4(1):55– 70, 1998.

[PF05]

Matt Pharr and Randima Fernando. GPU Gems 2: Programming Techniques for High-Performance Graphics and General-Purpose Computation (Gpu Gems). Addison-Wesley Professional, 2005.

[Pix97]

Pixar. Using Procedural Primitives in PhotoRealistic RenderMan, 1997. PhotoRealistic RenderMan Application Note #23.

[Pix05]

Pixar. The RenderMan Interface v3.2.1, 2005. https://renderman.pixar.com/products/rispec/rispec pdf/RISpec3 2.pdf.

[Ryu07]

David Ryu. 500 million and counting: hair rendering on Ratatouille. In SIGGRAPH ’07: ACM SIGGRAPH 2007 sketches, page 51, New York, NY, USA, 2007. ACM.

[Sch04]

Thorsten Scheuermann. Practical real-time hair rendering and shading. In SIGGRAPH ’04: ACM SIGGRAPH 2004 Sketches, page 147, New York, NY, USA, 2004. ACM.

[Str03]

David Stripinis. The MEL Companion: Maya Scripting for 3D Artists (Graphics Series). Charles River Media, 2003.

[ZBSF04] J. Zara, B. Benes, J. Sochor, and P. Felkel. Modern´ı poˇc´ıtaˇcov´ a grafika. Computer Press, Brno, 2nd edition, 2004. [Zin07]

Arno Zinke. Light scattering from filaments. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 13(2):342–356, 2007. Member-Andreas Weber.

[ZSW04]

A. Zinke, G. Sobottka, and A. Weber. Photo-realistic rendering of blond hair. In B. Girod, M. Magnor, and H.-P. Seidel, editors, Vision, Modeling, and Visualization (VMV), pages 191–198. IOS Press, 2004.

ˇ ÍLOHA A. SEZNAM POUZIT ˇ YCH ´ PR ZKRATEK

A Seznam pouˇ zit´ ych zkratek 2D

Two-Dimensional

3D

Three-Dimensional

AABB

Axis-Aligned Bounding Box

API

Application Programming Interface

ASCII

American Standard Code for Information Interchange

BFSDF

Bidirectional Fiber Scattering Distribution Function

BRDF

Bidirectional Reflectance Distribution Function

CD

Compact Disc

DG

Dependency Graph

DLL

Dynamic Link Library

DSO

Dynamic Shared Object

FSAA

Full-Scene Anti-Aliasing

GB

Gigabyte

GHz

Gigahertz

GPU

Graphic Processing Unit

LOD

Level of Detail

MEL

Maya Embedded Language

PAL

Phase Alternating Line

RGB

Red, Green, Blue

RI

RenderMan Interface

RIB

RenderMan Interface Bytestream

RSL

RenderMan Shading Language

SDK

Software Development Kit

SIMD

Single Instruction, Multiple Data

UPP

Universal Production Partners

VRML

Virtual Reality Modeling Language

63

64

ˇ ÍLOHA A. SEZNAM POUZIT ˇ YCH ´ PR ZKRATEK

ˇ ÍLOHA B. UZIVATELSK ˇ ´ PR ˇ ÍRUCKA ˇ PR A

65

B Uˇ zivatelsk´ a pˇ r´ıruˇ cka Tato uˇzivatelsk´ a pˇr´ıruˇcka pˇredpokl´ adá znalost práce s aplikacemi Autodesk Maya, Shave and a Haircut a 3Delight RenderMan. Zde je uveden postup, kter´ ym se odliˇsuje simplifikace od standardn´ıho vykreslov´ an´ı vlas˚ u. Detailn´ı popis modelován´ı pomoc´ı Shave lze nalézt v [Alt08], vykreslov´ an´ı pomoc´ı 3Delight for maya v [3De07b].

B.1

Instalace

Instalace podpory simplifikace se provede zkop´ırován´ım tˇechto soubor˚ u do adresáˇr˚ u: furSimplification.mll AEfurSimplificationTemplate.mel furSimplification.mel

-> -> ->

$MAYA_LOCATION\bin\plug-ins $MAYA_LOCATION\scripts\AETemplates $MAYA_LOCATION\scripts\others

$MAYA_LOCATION je adres´ aˇr instalace s Mayou, ve Windows standardnˇe: C:\Program Files\Autodesk\Maya Dále je nutné zkop´ırovat soubor furProc.dll na jakékoliv m´ısto, kde bude pˇr´ıstupn´ y vykreslovac´ımu programu 3Delight.

B.2

Nastaven´ı v Maye

Nejprve je tˇreba inicializovat z´ asuvn´ y modul furSimplification v Maye, napˇr´ıklad pomoc´ı menu: Window -> Settings/Preferences -> Plug-in Manager ale Klasick´ ym postupem vytvoˇr´ıme scénu s vlasy pomoc´ı Shave and a Haircut [Alt08]. D´ vytvoˇr´ıme nov´ y render pass pomoc´ı: 3Delight -> Add Render Pass Do nastaven´ı MEL Scripts -> Pre Frame MEL zap´ıˇseme: eval("shaveWriteRib \"" + "C:/shave/hair." + ‘currentTime -query‘ + ".rib" + "\""); eval("shaveWriteRibProc \"" + "C:/shave/hair." + ‘currentTime -query‘ + ".rib"+"\"");

Prvn´ı pˇr´ıkaz slouˇz´ı pro vygenerov´ an´ı RIBu vlas˚ u pomoc´ı Shave, tento pˇr´ıkaz je nutné uvést i bez pouˇzit´ı simplifikace. RIB bude v tomto pˇr´ıpadˇe uloˇzen do adresáˇre C:/shave/. Konstrukce ‘currentTime -query‘ slouˇz´ı pro vytvoˇren´ı unikátn´ıho jména souboru pro kaˇzd´ y sn´ımek, kdy RIB se samozˇrejmˇe generuje znovu, protoˇze vlasy mohou b´ yt animované. Je nutné pouˇz´ıt voxelové generov´ an´ı vlas˚ u [Alt08]! Druh´ y pˇr´ıkaz je nov´ y a provede u ´pravu vygenerovaného RIBu pro pouˇzit´ı simplifikace. Samotné generován´ı RIBu m˚ uˇze trvat pomˇernˇe dlouhou dobu. Pokud máme RIB jiˇz vygenerován, je moˇzné prvn´ı pˇr´ıkaz vynechat a spouˇstˇet pouze druh´ y pro ovládán´ı simplifikace. Pro správnou funkci simplifikace pˇri vykreslován´ı deep shadow maps, mus´ıme oznaˇcit st´ınov´ y pr˚ uchod v uzlu Light Attribute Node. Do nastaven´ı tohoto uzlu MEL Scripts -> Pre Render MEL zap´ıˇseme: RiAttribute -n "user" -p "renderpass" "string" "shadow"; A jeˇstˇe do MEL Scripts -> Post Render MEL: RiAttribute -n "user" -p "renderpass" "string" "final";


66

Dále je samozˇrejmˇe nutné zajistit pouˇzit´ı vygenerovaného RIB pˇri vykreslován´ı. To lze provést pomoc´ı uzlu 3Delight for maya pro vloˇzen´ı RIBu – RIB Archive Node. St´ınovac´ı program apy jako v pˇr´ıpadˇe vykreslován´ı likujeme pomoc´ı Shader Manager [3De07a] – tento postup je stejn´ bez simplifikace.

B.3

Nastaven´ı simplifikace

Do nastaven´ı simplifikace se dostaneme pomoc´ı menu v Maye: Fur Simplification -> Settings

Obr´ azek B.1: Uˇzivatelské rozhran´ı pro nastaven´ı simplifikace.

Color pass Shadow pass Turn On Simplification Number Of Pixels Half Ratio

Transition Region Minimum Of Hair Maximum Of Hair DLL Filename Log Filename Reset To Defaults

Nastaven´ı pro pr˚ uchod, pˇri kterém je jiˇz kreslen obrázek Nastaven´ı pro st´ınov´ y pr˚ uchod (vykreslován´ı deep shadow maps) Zapnout/vypnout simplifikaci Poˇcet pixel˚ u, kde simplifikace zaˇc´ıná. Závis´ı na velikosti modelu a rozliˇsen´ı sn´ımku. Vyˇsˇs´ı hodnota znamená vˇetˇs´ı simplifikaci. Ovl´ ad´ a tvar zjednoduˇsovac´ı kˇrivky. Pro hodnotu 0.5 se simplifikace zvyˇsuje lineárnˇe, pro niˇzˇs´ı hodnoty jde nejprve pozvolna a agresivn´ı je aˇz u vzdálenˇejˇs´ıch objekt˚ u. Typická hodnota je 0.4. Velikost pˇrechodové zóny 0 aˇz 1. Chlupy tak nemiz´ı skokovˇe, ale postupnˇe se zmenˇsuj´ı aˇz zmiz´ı. Typická hodnota je 0.2 Minim´ aln´ı poˇcet vlas˚ u (0 aˇz 1). Zabraˇ nuje pˇr´ıliˇs drastické simplifikaci, kdy poˇcet vlas˚ u m˚ uˇze b´ yt pˇr´ıliˇs mal´ y. Maxim´ aln´ı poˇcet vlas˚ u (0 aˇz 1), validn´ı jen pro st´ınov´ y pr˚ uchod. Lze tak vlastnˇe nastavit minimáln´ı velikost simplifikace. Jméno a cesta k furProc.dll. Jméno a cesta k log souboru (volitelné). Obnov´ı v´ ychoz´ı nastaven´ı vˇsech atribut˚ u.

Tabulka B.1: Popis parametr˚ u pro nastaven´ı simplifikace.


67

Uˇzivatelské rozhran´ı je uk´ az´ ano na obrázku B.1. V´ yznam parametr˚ u je uveden v tabulce B.1. Vykreslov´ an´ı spust´ıme napˇr´ıklad pomoc´ı pˇr´ıkazu v menu: 3Delight -> Render -> Pass Name Doporuˇcen´ y postup pro spr´ avné nastaven´ı simplifikace: 1. Najdˇete sn´ımek, kde vykreslovan´ y model je v dostateˇcné vzdálenosti pro zjednoduˇsov´ an´ı. 2. Tento sn´ımek vykreslete s vypnutou simplifikac´ı (bude slouˇzit jako referenˇcn´ı). 3. Nastavte simplifikaci pro st´ınov´ y pr˚ uchod (Shadow Pass). (a) Simplifikaci pro z´ avˇereˇcn´ y pr˚ uchod (Color Pass) ponechte vypnutou. (b) Maximum Of Hair nastavte na 1 (c) Zvyˇsujte hodnotu Number Of Hair, pokud je v´ ysledek (vykreslen´ y obrázek) pˇrijateln´ y. (d) Nastavte Maximum Of Hair na 0.4 nebo i menˇs´ı (ve st´ınovém pr˚ uchodu je moˇzné poˇcet vlas˚ u v´ yraznˇe omezovat). 4. Nastavte simplifikaci pro z´ avˇereˇcn´ y pr˚ uchod (Color Pass): (a) Zvyˇsujte hodnotu Number Of Hair, pokud je v´ ysledek (vykreslen´ y obrázek) pˇrijateln´ y. (b) Minimum Of Hair nenastavujte radˇeji na hodnotu menˇs´ı neˇz 0.1 (pˇri velké simplifikaci m˚ uˇze doch´ azet napˇr´ıklad k problém˚ um s kontrastem). Pro odladˇen´ı krok˚ u 3a a 4a se m˚ uˇze hodit log-soubor, kde je vidˇet napˇr´ıklad poˇcet vykreslen´ ych vlas˚ u (viz n´ıˇze). Pamatujte ale, ˇze d˚ uleˇzitá je skuteˇcná vizuáln´ı kvalita!

B.4

Log

Do logu zapisuje furProc.dll napˇr´ıklad u ´daje o velikosti simplifikace v jednotliv´ ych voxelech. TotalH UsedH Ratio Lambda Trans Shadow RibFilename

Celkov´ y poˇcet vlas˚ u nebo unkn pokud je simplifikace vypnuta. Poˇcet vykreslen´ ych vlas˚ u nebo unkn pokud je simplifikace vypnuta. Pomˇer poˇctu vlas˚ u (0 aˇz 1), odpov´ıdá Lambda + Trans. Velikost simplifikace. Velikost poloviny pˇrechodové zóny. 1 pro st´ınov´ y pr˚ uchod, jinak 0. Jméno RIBu voxelu. Tabulka B.2: V´ yznam poloˇzek logu.

Pˇr´ıklad logu: File ’hair.1.rib’ statistics: --------------------------------------------------------------TotalH UsedH Ratio Lambda Trans Shadow RibFilename 48511 29107 0.6000 0.5000 0.1000 1 hair.1_shaveHairShape1_0.rib 48511 26744 0.5513 0.4513 0.1000 0 hair.1_shaveHairShape1_0.rib

V´ yznam jednotliv´ ych poloˇzek je uveden v tabulce B.2. V uvedeném pˇr´ıkladˇe je kreslena scéna, která obsahuje pouze jeden voxel a jedno svˇetlo (st´ınov´ y pr˚ uchod).

68


ˇ ÍLOHA C. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN CD

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD \ | +--| | | | | | | | | | +--| | | | +--| | | | | | | | | | +---

text | +--- dipl.pdf | +--- src | | | +--- img | +--- ref shader | +--- kajiya.sl render | +--- img | | | +--- model | | | +--- simpl | +--- video README.txt

Text práce ve formátu PDF. Zdrojové soubory pro LATEX. Obrázky pouˇzité v této práci. Volnˇe dostupná pouˇzitá literatura.

Zdrojov´ y kód RSL st´ınovac´ıho programu Kajiya & Kay.

Obrázky vykreslené pomoc´ı 3Delight. Porovnán´ı osvˇetlovac´ıch model˚ u. Referenˇcn´ı a simplifikované scény. Animované sekvence vykreslené pomoc´ı 3Delight. Popis obsahu CD.

69

70

ˇ ÍLOHA C. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN CD

Bc. Martin Dušek. Fakulta elektrotechnická. Studijní program: Elektrotechnika a informatika strukturovaný magisterský

Recommend Documents