Vizualizace 3d designu ve strojírenství

Vysoké učení technické v Brně

Brno University of Technology

Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor průmyslového designu Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design / Department of Industrial Design

Vizualizace 3d designu ve strojírenství

Pojednání ke státní doktorské zkoušce Discourse on the Dissertation Thesis

Autor práce: Ing. Jan Preiss Author

Brno 2007

Vysoké učení technické v Brně

Brno University of Technology

Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor průmyslového designu Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design / Department of Industrial Design


Pojednání ke státní doktorské zkoušce Discourse on the Dissertation Thesis

Autor práce: Ing. Jan Preiss Author

Vedoucí práce: Doc. Ing. arch Jan Rajlich Supervisor

Brno 2007

Obsah

1. Úvod

Obsah

.......................................................................................................................................................................... 4

1.1 Vymezení řešené problematiky ............................................................................................................................ 4 1.2 Cíle řešení...................................................................................................................................................................... 4 2. Přehled současného stavu na poli 3d vizualizací............................................................................................... 5 2.1 Terminologie počítačové 3d grafiky a vizualizace........................................................................................... 5 2.2 Metody vizualizace v projektech průmyslového designu............................................................................ 6 2.2.1 Metoda RAYTRACE.................................................................................................................................................. 6 2.2.2 Metoda RADIOSITY................................................................................................................................................. 6 2.2.3 Metoda osvětleni scény pomoci HDRI . ......................................................................................................... 8 3. Zhodnocení současných 3d vizualizačních metod .......................................................................................... 9 3.2 Kriteria hodnocení 3d vizualizace......................................................................................................................... 9 3.2.1 Kritérium Vizuálního stylu ................................................................................................................................... 9 3.2.2 Kritérium Použité metody .................................................................................................................................11 3.2.3 Kritérium Fyzikální reálnosti . ...........................................................................................................................11 3.3 Současný způsob testování 3d vizualizací.......................................................................................................13 4. Cíl disertační práce.....................................................................................................................................................15 4.1 Metodika postupu řešení.......................................................................................................................................15 4.2 Dílčí cíle řešení...........................................................................................................................................................15 4.3 Další postup řešení . ................................................................................................................................................15 4.3.1 Praktická analýza...................................................................................................................................................15 4.3.2 Moduly pro testování...........................................................................................................................................16 5.Závěr.................................................................................................................................................................................17 6. Literatura a zdroje.......................................................................................................................................................18

POJEDNANÍ k SDZ


3

1. Úvod

Úvod

Počítačová vizualizace je disciplína produkující obrazovou informaci pomocí počítačových technik zahrnujících modelování – tvorba, manipulace a uchovaní geometrických dat, renderování – převod scény na obraz, nebo proces transformace, rasterizace, stínování, osvětlení a animaci obrazu. [2] Počítačová vizualizace je široce využívána v grafických prezentacích, kreslících a CAD systémech, zpracování obrazu, simulaci virtuální reality a zábavním průmyslu. Toto odvětví prošlo za posledních několik desítek let rychlým a dramatickým vývojem. Od prvotních obrazů tvořených textovými symboly po současné fotorealistické obrazy ve vysokém rozlišení, od vektorových obrazovek po rastrové, od 2D vstupu po 3D vstup [2]. Pro každý designérský projekt dnešní doby je zřejmá potřeba jej kvalitně a atraktivně prezentovat jak pro marketingové tak i pro technické účely. Odborná znalost 3d vizualizací je proto důležitým jádrem znalostí kterou by měl průmyslový designér disponovat. Dokonalé pochopení možností vizualizačních nástrojů, jejich přínosu a také jejich limitů je rozhodujícím faktorem pro efektivnost designéra nejen v rámci projektu, ale i v rámci týmu.

1.1 Vymezení řešené problematiky Téma disertační práce spadá do oblasti tvůrčí činnosti. Hlavní obor je Průmyslový design a následně je specializován na část 3D vizualizací ve strojírenství.Disertační práce postupuje několika fázemi, které aplikují přístup jak technický tak umělecko-tvůrčí. Základem práce je rozbor náročnosti konkrétních 3d vizualizačních technik a následnou aplikaci těchto metod na modelový projekt a vytvoření ukázkové multimediální prezentace s dokumentací. Výsledným řešením je prvek multimediálního designu, který kombinuje objektivní technické prvky se subjektivním uměleckým přístupem autora. Dostupná literatura a informace jsou využity pro analytickou část zabývající se historickým a technickým aspektem 3d vizualizací. Tato práce řeší přístup k finální fázi a to je prezentace designérského projektu. Zároveň bude sloužit pro účely výuky 3d vizualizačních metod a propagace jak designérských projektů Odboru Průmyslového designu, tak i Ústavu konstruování. Praktická část 3d vizualizace je sice částečně aplikována studenty magisterského studia průmyslového designu při řešení jejich ateliérových či diplomních projektů, ovšem je zde patrná absence znalosti kompletního multimediálního projektu se všemi aspekty.

1.2 Cíle řešení Cílem doktorské práce je komplexní analýza současných 3d vizualizačních metod užívaných pro projekty průmyslového designu a strojírenství, konkretizace nejefektivnějších metod 3d vizualizace a finálně vytvoření modelové multimediální prezentace designérského projektu.

POJEDNANÍ k SDZ


4

2. Přehled současného stavu na poli 3d vizualizací V přehledu současného stavu jsou shrnuty poznatky z teorie 3d vizualizací vztahující se k tématu disertační práce. Jsou zde dále popsány nejběžnější 3d vizualizační metody používané v projektech průmyslového designu

Přehled současného stavu na poli 3d vizualizací

2.1 Terminologie počítačové 3d grafiky a vizualizace Zatímco v počítačové 2D grafice jsou data určena k přímému zobrazení, v 3d grafice jsou data grafického souboru uložena v počítači pro účel dalšího výpočtu a renderingu 2D obrazů. 3d grafika je ale závislá na stejných algoritmech. Stejné algoritmy pro výpočet používá např.. 2D vektorová grafika a drátěný 3d model, nebo 2D rastrová grafika a finální 3d render. V 3d počítačové grafice se často odkazuje na 3d modely. [8] 3d Model je matematická reprezentace jakéhokoliv třídimenzionálního objektu (živého či neživého) a technicky vlastně není grafikou dokud není vizuálně zobrazen. Díky 3d tisku nejsou 3d modely omezeny na virtuální úroveň. Model může být vizuálně zobrazen jako dvojdimenzionální obraz díky procesu zvaném 3d rendering. [8] Proces tvorby 3d počítačové grafiky tedy může být rozdělen do tří základních fází: 3D Modeling,

Layout scény a Animace, Rendering

3D modeling Pří této fázi vzniká model, který definuje tvar objektu. Nejčastěji jsou data pro 3d model vytvořena umělcem, inženýrem nebo designérem na počítači pomocí určitého 3d software, anebo jsou získána 3d naskenováním objektů reálného světa. Data pro model lze generovat také procedurálně nebo fyzikální simulací. Layout scény a Animace Před tím než je objekt renderován musí být umístěný do scény, která definuje prostorové vztahy mezi objekty. Animace definuje dočasný stav objektu, jak se pohybuje a deformuje v závislosti na čase. Nejčastější metody animace jsou: pomocí klíčových snímků (keyframes), pomocí inverzní kinematiky (ik) a pomocí metody zachycení pohybu (motion capture). Často se pro dosažení optimálních výsledků tyto metody různě kombinují. Stejně jako pro modeling lze použít metody Fyzikální simulace. Rendering V této fázi se konvertuje 3d model na 2D obraz pomocí simulace přenosu světla pro fotorealistický výstup anebo se 2D obraz vytvoří pomocí některé z metod pro nefotorealistické zobrazení. Základní dvě operace pro realistický rendering jsou transport (definuje kolik světla se dostane z jednoho místa na druhé) a scattering (rozptyl, který definuje interakci povrchu se světlem). Proces úpravy scény do vhodné použitelné formy také zahrnuje 3d projekci, která umožňuje trojrozměrné objekty zobrazit ve dvojdimenzionálním prostoru. [8] 3d vizualizace vs. multimediální prezentace Je vhodné si definovat pojmy 3d vizualizace a Multimediální prezentace. Často jsou navzájem zaměňovány, což je základní omyl v této terminologii. Termínem 3d vizualizace rozumíme grafický soubor reprezentující určitý designérský proces, kterým může být reálný či fiktivní objekt průmyslového designu, architektury či dokonce grafiky. Grafický soubor má výstup ve formě statických renderů (obrázků zachycujících objekt) či 3d animací (videosekvence znázorňující objekt při různých stavech). Výstupním formátem jsou rastrové i vektorové obrázky (JPEG, TIFF, SWF), či soubory obsahující video v typických formátech (AVI, MOV) Pojem multimediální prezentace je nadřazenou skupinou, nikoliv však závislou pro 3d vizualizace.

POJEDNANÍ k SDZ


5

Multimediální prezentace je soubor integrující více vizuálních prvků do jednoho výstupního prostředí (např.. FLASH, DHTML, PPS). Integruje prvky 3d vizualizace s 2D grafikou, textem, videosekvencemi atd... v jednotném prostředí, které může a nemusí být interaktivní s divákem. Výsledkem je většinou soubor obsahující kompletní informace, nejen vizuálního charakteru, o daném objektu.


2.2 Metody vizualizace v projektech průmyslového designu V projektech průmyslového designu jsou nejčastěji užity tyto metody 3d vizualizace: Raytrace metoda, Metoda Globalní iluminace a metoda osvětlení pomocí HDRI.

2.2.1 Metoda RAYTRACE Všeobecně vychází z principu geometrické optiky a modelování světelného paprsku který je v interakci s optickými povrchy. V 3d grafice se nevychází ze sledování paprsku od světelného zdroje, ale od oka pozorovatele směrem do scény Výsledky jsou podobné metodě RAYCASTING a SCANLINE RENDERING, ale jsou vylepšeny o přesnější simulace reflexe a refrakce s vyšším mírou fotorealismu.[3] Principem je sledování paprsku z imaginárního oka skrz bod na virtuální obrazovce a zjišťování příspěvků každého světla ve scéně pro tento bod. Každý paprsek vyslaný do scény je testován na kolizi s objektem ve scéně. Pokud paprsek objekt neprotne, obarvíme bod barvou pozadí. V případě kolize zjistíme nejbližší průsečík objektu. Následně vyšleme další paprsky z tohoto bodu ke všem světelným zdrojům ve scéně , abychom zjistili, zda je bod osvětlen, nebo zda leží ve stínu. Počet použitých světel výrazně ovlivňuje rychlost výpočtu obrazu. Pokud dráha paprsku z tohoto bodu je kdekoliv protnuta neprůhledným tělesem, je tento bod ve stínu a příspěvek daného světla není započten. Podle osvětlovací rovnice zjistíme veškeré světelné příspěvky v pro daný bod a tím i jeho intenzitu jasu a barvu. [11] Pokud je těleso lesklé nebo průhledné, mohou se podle typu povrchu generovat další paprsky. Pokud je povrch lesklý, odražený paprsek pokračuje dále podle zákonů odrazu v optice. Nejbližší objekt který zasažen je potom vyhodnocen jako odražený obraz. Pokud je povrch průhledný počítá se další směr refraktivního paprsku pomocí indexu lomu a paprsek může vstoupit nebo vystoupit z materiálu a ztratit část svého spektra anebo intenzity. Interakce paprsku s tělesy se rekurentně opakuje až do dopadu na čistě difuzní povrch anebo do stanoveného počtu interakcí (hloubky) průchodu paprsku. [11] Obr.č.1:Výstup metody Raytrace Zdroj: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/9/93/Raytracing_ reflection.png

Výhodou této metody je rychlost a velmi poměrné realistické zobrazení reflexivních a refraktivních povrchů objektů. Ovšem z důvodu vypočtu lokálního osvětlení jsou stíny poměrně ostré a difuzní povrchy značně nerealistické. Dalším omezením je téměř výhradní použití bodových světel.

2.2.2 Metoda RADIOSITY Globální osvětlení přistupuje k osvětlování objektů fyzikálně přesněji a při výpočtu bere v úvahu kromě polohy světelných zdrojů i příspěvek světla odráženého k objektu z okolních povrchů scény. Na výsledném osvětlení povrchu tělesa se podílí nejen přímé světelné zdroje, ale také odrazy od okolních světel a okolních povrchů. [11]

POJEDNANÍ k SDZ


6

Radiosita je metoda globální iluminace využívající zjednodušenou metodu konečných prvků k řešení zobrazovací rovnice pro scény s difusními povrchy. Tuto metodu jako nástroj pro renderování představili v roce 1984 na Cornellově Univerzitě. Teorie samotná byla používána pro řešení přenosu tepla zářením zhruba od roku 1950. [18,19]


Obr.č.2: Cornell box, Zdroj: wikipedia

Vlastní výpočet osvětlení se sestává s několika fází: adaptivní dělení scény na plošky (patching), výpočet soustav rovnic osvětlení, korekce/konvergence výpočtu, zobrazení (interpolace výsledku). Kvalita dělení scény určuje kvalitu výpočtu, zejména na hranici světla a stínu, ale také počet řešených rovnic a tím náročnost. [9,13,19,20] V první fázi jsou povrchy ve scéně, kterou budeme zobrazovat jsou rozděleny na jeden nebo více menších plošky (patche). Světelné zdroje jsou definovány plochou s nastavenou hodnotou „vyzařování“. Nejprve je vyhodnoceno šíření světla ze světelných zdrojů a jeho odrazy od okolních těles. Pro každý možný pár plošek se určí takzvaný „Form Factor“ což je koeficient, který určuje vzájemnou viditelnost obou plošek. Plošky, které jsou od sebe vzdálené, nebo svírají kosý úhel budou mít menší Form factor. Pokud jsou v jejich cestě další patche je form factor zmenšen na nulu v závislosti jestli zaclonění je částečné nebo úplné. Form factors jsou použity jako koeficienty v linearizované formě zobrazovací rovnice, ze které získáme soustavu n lineárních rovnic o n-neznámých, kde n je počet plošek scény. Vyřešením této soustavy rovnic získáme vyzařování nebo jas jednotlivých plošek, současně s difuzními odrazy a měkkými stíny. [9,13,19,20] Pro samotný výpočet koeficientů Form factor existuje řada metod, z nichž některé komplexnější spadají i do oblasti statistických metod výpočtu globálního osvětlování (stochastic radiosity, stochastic relaxation radiosity, shooting radiosity,…). [9,13,19,20] Výhodou metody Radioisty je to, že řešením je soubor hodnot vyzařování závislých na geometrii, ne na pohledu do scény. Tudíž jeden výpočet radiosity můžeme použít pro zobrazení jakéhokoliv pohledu do scény. Nevýhodou je nemožnost řešit otevřené scény, algoritmus nebere v úvahu jiné šíření světla než ideálně difuzní. Další nevýhodou je téměř nemožnost zobrazit lesklé a průsvitné objekty. Raytrace umožňuje kvalitní zobrazení plastů a skel, Radiosity zase difúzní povrchy. Spojení těchto dvou metod je přímo nutností. Není ovšem tak jednoduché jak by se mohlo zdát. Raytrace pracuje s bodovými světly s nízkým rozsahem hodnot (LDR – low dynamic range) a Radiosity naproti tomu pracuje s plošnými zdroji a vysokým rozsahem hodnot (HDR - high dynamic range). Většinou se výpočty obou metod provedou odděleně a spojí se až při vyhodnocování rovnice osvětlení. Kvalitním řešením je až metoda Monte Carlo Ray Trace (MCRT), nebo metoda trasování fotonů (Photon-tracing). [11] POJEDNANÍ k SDZ


7

2.2.3 Metoda osvětleni scény pomoci HDRI Mezi jedny z nejpokročilejších metod osvětlení scény patří metody nazývané IBL- Image based lightning anebo IBRT – Image based rendering techniques (osvětlení scény pomocí obrazů). Tyto metody se používají pro zvýšení míry realismu, i když to nemusí platit univerzálně. Většina současných systémů pro renderování nabízí určitou podporu pro osvětlení scény pomocí obrazů , i když mohou být označeny rozdílnými termíny. V současnosti asi vůbec nejpoužívanější metoda je osvětlení scény pomocí HDRI (High Dynamic Range Images) – obrazů s vysokým dynamickým rozsahem jasu. [11,23,24]


Použití této metody se poprvé představeno Gregem Wardem v roce 1985 spolu s jeho renderovacím softwarem Radiance. Zároveň byl představen první obrazový formát na uložení vysokého dynamického rozsahu obrazu RGBE (red, green, blue, exponent). HDRI formát poté upadl na více než desetiletí do zapomnění, hlavně z důvodu limitované výpočetní síly, uchovávaní a omezených metod pro zachycení. V roce 1997 Paul Debevec představil na konferenci Siggraph článek Recovering high dynamic range radiance maps from photographs (Získání obrazů s vysokým dynamickým rozsahem z fotografií) a v roce následujícím představil článek Rendering synthetic objects into real scenes (Zobrazování umělých objektů v reálných scénách). Tyto dva příspěvky byly klíčové, a položily základ pro vytváření HDR light probes (světelných modelů určité lokace) a pro implementaci těchto modelů pro osvětlené syntetické scény. Na rozdíl od běžné Environment mapy, která jednoduše poskytuje data pro reflexi a pro refrakci, se HDRI model užívá jako zdroje světla, a dokonce nejčastěji se používá jako jedinký zdroj osvětlení ve scéně. [23,24] Pro vytvoření světelného modlu je třeba naměřit reálné hodnoty jasu ve scéně. Měření okolního světa se provádí lineární CCD kamerou (digitální fotoaparát) pro jejich možnost nesnímat charakteristiku okolního světla s vysokým dynamický rozsahem jasu. Ideální je použití kulového zrcadla nebo čočky s velmi širokým zorným úhlem. V praxi se ovšem používá kulové zrcadlo protože „rybí oko“ často způsobuje barevnou vadu a nelze u něj stanovit ohnisko. Dynamika světla má ovšem takový rozsah, že jej není možné naměřit z jedné fotografie scény. Proto se pro získání korektních dat je potřeba použít opakované měření scény při různých expozicích. Expozice se provádí v logaritmických stupnicích (1,10,100,1000) expozičního času a data se ukládají do obrazového formátu s vysokým dynamickým rozsahem hodnot, zkráceně HDRI. Pro vysvětlení, běžný obrazový formát disponuje 24 bitovou hloubkou obrazu, tzn. 8 bitů na kanál barvy (R,G,B). Osm bitů je reprezentováno rozsahem hodnot 0..255, což je ovšem pro rozsah hodnot jasu (poměr mezi nejsvětlejší a nejtmavším bodem) ve reálném světě velmi málo. Proto se ve formátu HDRI pracuje s více bity na barvu (většinou 32) a rozsah hodnot je v plovoucí řádové čárce. [11,22,23,24]

Obr.č.3: HDRI - meření scény při změně expozice pro získání dynamického rozsahu, zleva – nastavení expozice -4EV,0,+3EV, Zdroj:wikipedia

HDRI poté reprezentuje reálné okolí scény. Okolím scény rozumíme jednolitý zdroj světla mapovaný na scénu obklopující kouli (sky object) nebo krychli. Jinak řečeno světla jsou zde představeny každým pixelem obrazu namapovaným na vnitřek koule a intenzitu v daném bodě určuje intenzita pixelu. Pro získání realistických výsledků ovšem nestačí ani metoda Raytracing ani metoda Radiosity. Používá se kombinace technik pomocí metody Monte Carlo která dokáže velmi přesně reprezentovat osvětlovací rovnici a řeší i problémy difuze materiálů a kaustiky. [11,22,23,24] Díky naměřeným charakteristikám okolního světla lze pomocí HDRI modelovat chování daných syntetických scén v různých podmínkách. Této technice se říká Re-lightning (opětovné osvětlení). Principem je záměna HDR obrazu namapovaného na okolí scény, za jiný HDR obraz. Lze tedy

POJEDNANÍ k SDZ


8

simulovat různé chování povrchu modelu při různých osvětleních. Zároveň HDRI definuje i odlesky a odrazy scény. Můžeme tedy scénu osvětlit exteriérovým nebo interiérovým světlem a zjistit vliv tohoto osvětlení na barevné vlastnosti materiálu, odrazy, refrakce. Tato metoda je velmi vhodná i pro zobrazení dynamických scén protože díky okolní světelné mapě a všesměrovosti působí odlesky a difúzní odrazy na pozorovatele daleko věrohodněji, než u scén zobrazených pomocí metod Raytracing či Radiosity. [11,22,23,24]

Zhodnocení současných 3d vizualizačních metod

Obr.č.4 Re-lightning: osvětlení stejné scény pouhou změnou světelného modelu HDRI, Autor:Jan Preiss

Zobrazovací rovnice je pouze jednou metodou řešení algoritmu globálního osvětlení a různé renderovací moduly ji mohou řešit různými způsoby. Pokud ji teoreticky dva různé renderovací moduly vyřeší dostatečně přesně, měly by při stejné scéně vygenerovat stejný obrázek; v praxi ale renderovací moduly často různé části zobrazovací rovnice „odsekávají“ nebo mění, což může vést k rozdílným výsledkům.

3. Zhodnocení současných 3d vizualizačních metod 3.2 Kriteria hodnocení 3d vizualizace Pro kritické zhodnocení 3d vizualizačních metod, určení jejich vlastností a výkonu, je nutné si stanovit metody a kritéria hodnocení. V této práci jsem zvolil tři hlavní kritéria: kritérium vizuálního stylu, kritérium použité metody a kritérium fyzikální reálnosti. Ty budou dále využity pro hodnocení efektivnosti při praktické analýze.

3.2.1 Kritérium Vizuálního stylu Vizuální styl je jednou z možných charakteristik metod 3d vizualizace. Rozhodujícím faktorem je objektivní vizuální forma ztvárnění. Proto zde definujeme dvě kategorie Non-Photorealistic vs. Photorealistic (Nefotorealistické versus Fotorealistické). I když se na první pohled může zdát, že pojem nefotorealistické metody nezapadá do profesionálního světa 3d vizualizací, patří k velmi důležitým metodám, často užívaných pro ztvárnění technické a schématické vizualizace. NON PHOTO REALISTIC Metoda nefotorealistického renderingu je oblast počítačové grafiky, která se zaměřuje na užití široké škály expresivního vyjádření v oblasti 3d vizualizace. V kontrastu s fotorealistickými metodami je inspirována styly jako je kresba, malba, technická ilustrace a animované filmy. Tato metoda se objevuje ve vizualizacích ve formě „komiksového“ stínování, architektonických ilustracích a experimentální animace. [9] Termín Non-Photorealistic rendering“ byl pravděpodobně vytvořen Davidem Salesinem a Georgesem Winkenbachem ve výzkumné zprávě roku 1994. Tento termín byl pro mnoho akademiků neuspokojující a v diskuzi na na první konferenci „Non-Photorealistic Animation and Rendering“ bylo navrženo několik alternativních názvů jako „expresivní grafika“, „umělecký rendering“, „nerealistická grafika“ apod. Tyto termíny byly použity v množství výzkumných zpráv, přesto se termín NPR zavedl jako standart označení této metody. [9]

POJEDNANÍ k SDZ


9

Trojrozměrné NPR techniky jsou nejběžnější formou a lze se s nimi běžně setkat v hrách, filmech a i v technických projektech. Výstupem je vždy 3d model, který je upraven tak aby ztvárnil nový umělecký styl. V mnoha případech je geometrie původního modelu zachována a pouze je modifikován materiál povrchu. Většina trojrozměrných NPR technik má za účel vytvořit iluzi dvojrozměrné scény. [9]


Obr.č.5: Nefotorealistické zobrazení Zdroj: http://www.maxon.net/pages/images/products/modules/ sketchandtoon/technique_2.jpg

Dvourozměrné NPR techniky používané pro 3d vizualizace používají jako vstup informace o 3d geometrii modelu a výstup ve formě 2D obrázku či videosekvence. Tyto techniky mají opět za cíl napodobit požadovaný umělecký styl jako např. Akvarel, perokresbu, technickou ilustraci apod. [9] NPR metody jsou také používány pro zvýšení čitelnosti a přehlednosti. Nejvíce užitečné znázornění v technické ilustraci není bezpodmínečně fotorealistické. NPR rendery jako např. „exploded view“ jsou velmi užitečné pro znázornění umístění jednotlivých částí složité sestavy. [9] PHOTOREALISTIC Pokud je cílem 3d vizualizace fotorealistické zobrazení objektu, je potřeba zapojit metody jako jsou Raytracing nebo Radiosita. Další techniky byly vyvinuty pro simulaci jevů vyskytujících se běžně v přírodě, jako třeba interakce světla s různými formami hmoty. Příkladem může být částicový systém (simulace deště, kouře, ohně), volumetrické efekty (simulace mlhy, prachu a jiných prostorových atmosférických efektů), kaustika (simulace světla zaostřeného povrchem s nestálým lomem světla), subsurface scattering (simulace světla odrážejícího se uvnitř objemu plných těles, např.: Vosk, lidská kůže). [10] Proces fotorealistického renderingu je výpočetně velmi náročný, zvláště při užití simulace různých fyzikálních jevů. Razantní zvýšení výpočetního výkonu počítačů v posledních letech umožnilo mnohem výše nastavit level realističnosti renderingu. Pro obzvláště komplexní scény je však stále nutností použít renderovací farmy (uskupení velkého počtu počítačů řešících simultánně jeden projekt )pro dosažení požadovaného výsledku v rozumném čase. Cenová dostupnost výkonného hardware umožňuje menší projekty 3d vizualizace řešit i v domácím prostředí. [10] Obr.č.6 Fotorealistické zobrazení Zdroj: http://www.indigorenderer.com/joomla/index.php?option=com_ gallery2&Itemid=26&g2_itemId=1280

POJEDNANÍ k SDZ

Při objektivním srovnávání je patrné, že metody použité pro Non-Photorealistic a pro Photorealistic renderování si navzájem nekonkurují. Účel je vždy přesně definován kvalitativním požadavkem na výstup.


10

3.2.2 Kritérium Použité metody Další z charakteristik pro rozbor metod 3d vizualizace je typ použité metody. Metody se navzájem liší v použitém algoritmu pro interpretaci vizuálních dat. Můžeme je dělit podle toho jak se projevuje příspěvek intenzity osvětlení povrchu okolním světlem ve vztahu scéna a objekt. Tímto se dostáváme k dělení na lokální a globální metodu osvětlení (Local Illumination, Global illumination / ). V oblasti 3d grafiky se pro oblast vizualizací všeobecně vychází z fyzikálních modelů a výpočtů, zejména z oblasti optiky, termodynamiky a nukleární fyziky (Raycasting, Raytrace, Radiosity, FEA, Monte Carlo, QMC), které jsou následně adaptovány pro výpočet 3d grafiky Kvalita výstupu jednotlivých metod je dána výpočetním modelem jenž používají.


Obr.č.7: Výstup Raytrace metody – Zdroj: model - http://www.3dsoftware.cz/download/DownDetail. aspx?ID=363 rendering – Jan Preiss

Obr.č.8: Výstup Radiosity metody – Zdroj: model - http://www.3dsoftware.cz/download/DownDetail. aspx?ID=363 rendering – Jan Preiss

Při objektivním srovnávání je patrné, že vizualizační metody RAYTRACE, RADIOSITY A METODA OSVĚTLENÍ POMOCI HDRI RENDEROVÁNÍ si navzájem objektivně konkurují. Kvalita výstupního souboru a časová náročnost jsou v přímo závislém vztahu.

3.2.3 Kritérium Fyzikální reálnosti Vývoj posledních let na poli 3d vizualizace přinesl i naprosto nové náhledy na princip výpočtu. Zdokonalení a enormní navýšení výkonnosti běžných výpočetních systémů umožnil řešit rendering pomocí reálné fyzikální simulace, přesněji pomocí řešení Maxwellových rovnic elektromagnetického vlnění. Charakteristika fyzikální reálnosti nám rozdělí vizualizační metody na dvě hlavní skupiny BIASED a UNBIASED (Zkreslené a Nezkreslené). Toto dělení je v podstatě nejobecnějším dělením vizualizace. Metody UNBIASED Někteří uživatelé preferují UNBIASED metody, protože jejich podstata fyzikálně korektní simulace světla produkuje přesné fotorealistické rendery. Jediný artefakt který produkují je šum. Výsledek konverguje v průběhu času k přesnému řešení a chyba (šum) je postupně eliminován. Navíc metody které tento přístup používají, mají malé množství parametrů které musí uživatel nastavit. Většinou se jedná o nastavení světelných parametrů scény (reálné BRDF materiály, výkon světel ..) a výstupu na principu fotografických technik jako jsou čas, clona, citlivost, ohnisková vzdálenost apod. Metody ovšem nejsou adaptivní a proto trvá výpočet obrázku bez šumu extrémně dlouho a je velmi náročný na hardware. Navíc některé efekty nelze spočítat vůbec (např. kaustika z bodového zdroje viděná odrazem od dokonalého zrcadla). Nejběžnějším příkladem těchto metod může být PATHTRACING (v některých rendererech nazývané brute-force - hrubá síla), BIDIRECTIONAL PATH TRACING (obousměrné sledování cesty) anebo METROPOLIS LIGHT TRANSPORT. [14,15,26]

POJEDNANÍ k SDZ


11

Obr.č.9: Výstup Unbiased metody – Indigo renderer Zdroj: http://www.indigorenderer.com/joomla/index.php?option=com_ gallery2&Itemid=26&g2_itemId=5962


Metody BIASED Metody Biased, neboli Aproximační metody pro rendering jsou metody, které při výpočtu finálního obrazu počítají s určitým podílem chyby. Díky tomu je ovšem možné chybu přesně vymezit a výpočet optimalizovat. Osvětlovací rovnice je zjednodušena a některé principy jsou eliminovány, nebo zjednodušeny. Kvalitu a detailnost výpočtu lze kontrolovat pomocí množství parametrů a zjednodušovat tak dlouho až jsou splněny požadavky na výstupní kvalitu a čas tomu dedikovaný. Tyto metody jsou adaptivní a proto jsou typicky rychlejší než unbiased metody. Dokáží spočítat některé efekty, neřešitelné pomocí Unbiased metod. Často lze uložit řešení Globální iluminace a znovu použít. Nevýhodu jak už z podstaty plyne je zjednodušení výpočtu a tím i možnost chyb, jako např. vznik artefaktů (například rozpíjení světla pod tenkými zdmi atd...) Mezi současné biased metody patří, např. Photon Mapping (mapování fotonů), Irradiance Caching, Radiosita.. apod. [25,26] Obr.č.10: Výstup Biased metody – V ray renderer Zdroj:http://gallery.mcneel.com/?language=en&g=1

V některých případech se používají Hybridní metody, kdy se pro některé efekty použijí přesné UNBIASED metody a pro ostatní efekty se použijí BIASED metody. Výhodou je kombinace rychlosti a kvality, nicméně je časté složité nastavení parametrů. Typickými zástupci jsou Quasi monte Carlo Global Illumination + Photon Mapping ve VRAY nebo Light Tracer v kombinaci s Radiositou v 3dsmax. Shrnutí Všeobecně je zde vždy určitý kompromis při užití „rychlých“ Biased metod anebo „důkladných“ Unbiased metod. Avšak není žádný průkazný argument že Unbiased algoritmy musí být pomalé nebo, že Biased algoritmy nemůžou být důkladné. Při srovnávání se lze domnívat, že vizualizační metody používající BIASED a UNBIASED přístup k řešení osvětlení scény si navzájem konkurují pouze subjektivně. Při optimálním přístup kvalita výstupního souboru a časová náročnost nemusí být v přímo závislém vztahu.

POJEDNANÍ k SDZ


12

3.3 Současný způsob testování 3d vizualizací Testování výkonnosti se většinou provádí srovnávací metodou. Vstupní parametry jsou hardware konfigurace, použitý modul, popřípadě konfigurace modulu.


Nejběžnější typ testů spočívá v porovnávání jednoho konkrétního renderovacího modulu v rámci různých hardwarových konfigurací. Jako srovnávací kriterium se obvykle používá čas potřebný pro danou úlohu. Tím je možno objektivně zjistit optimální hardware pro danou aplikaci. Je možné takto určit, kdy další optimalizace či upgrade hardware je ještě přínosem a kdy již nemá prakticky žádný efekt na zvýšení výkonnosti. Toto testování se obvykle řeší pomocí Benchmark metod. Ty používají přesně dané modelové scény anebo přesný set testů, pro měření více charakteristik. Typickými zastupiteli v tomto směru jsou proprietární testovací moduly CineBench, 3d mark, Pc mark, apod. každý z nich se zaměřuje na určitou sérii testů a hodnotí celkovou výkonnost hardware. [29, 30] Obr.č.11:Testování - Benchmark Cinebench 9.5 Zdroj: http://www.maxon.net/pages/images/download/ cinebench.jpg

Další aplikovanou metodou je testování v rámci neměnné hardwarové konfigurace, kdy testu je podroben jeden konkrétní renderovací modul, při různých konfiguračních nastaveních. Tato metoda slouží k optimalizování parametrů výpočtu a tím i k určení efektivnosti výpočtu v závislosti na čase. Tato metoda je také využívána pro určení konkrétních setů nastavení pro modelové případy vizualizace, např. nasvětlení scény interiéru, exteriéru, pro použití detailu, pro použití Globální iluminace apod. [27] Tyto metody testování většinou slouží k určení výkonu hardware anebo definování optimalizace nastavení jednoho konkrétního renderovacího modulu. Poslední metodou je testování, kdy se v rámci jednotné hardwarové konfigurace testují různé renderovací systémy, při pokud možno identickém nastavení jejich parametrů. Pro testování se opět používají konkrétní dané modelové scény pro co nejobjektivnější výsledek. Tento způsob srovnávacích testů kvalitativně určuje nejlepší vhodnost renderovacích modulů pro danou modelovou scénu či jejich výkonnost při konkrétní hardware konfiguraci. [27]

Obr.č.12: Optimalizační testování Biased metod, Modul: V-Ray , Render time 5 min.

Obr.č.13: Optimalizační testování Biased metod, Modul: V-Ray , Render time 16 min.

Zdroj: http://www.rhino3d.cz/

Zdroj: http://www.rhino3d.cz/

POJEDNANÍ k SDZ


13

Pro parametr testování lze použít celkovou dobu renderingu do finálního výsledku pro biased systémy anebo lze použít fixně danou dobu a srovnávat parametr vizuální kvality v případě unbiased metod. [27, 28]


Obr.č.14:Testování Unbiased metod Modul - Kerkythea , Stop time 100 min. Zdroj: http://http://www.pushpullbar.com/

Obr.č.15:Testování Unbiased metod Modul - Indigo , Stop time 100 min. Zdroj: http://http://www.pushpullbar.com/

Obr.č.16:Testování Unbiased metod Modul - Maxwell , Stop time 100 min. Zdroj: http://http://www.pushpullbar.com/

Testování napříč větším spektrem renderovacích modulů, respektive napříč spektrem renderovacích technik a rozsáhlejší srovnávací studie, která by zkoumala závislosti více systémů jako taková není zatím běžně řešena. Obvyklý způsob je test několika metod pro interní účely.

POJEDNANÍ k SDZ


14

4. Cíl disertační práce 4.1 Metodika postupu řešení • • • • • •

Cíl disertační práce

Zhodnocení současného stavu Teoretická analýza renderovacích metod Kategorizace vizuálních metod Praktická analýza vybraných renderovacích modulů Výběr nejefektivnější metody a aplikace na modelovou scénu Vytvoření multimediální prezentace projektu

4.2 Dílčí cíle řešení Bylo provedeno zhodnocení současného stavu na poli 3d vizualizačních metod. Primárně byla analyzována teorie 3d vizualizací a možnosti kategorizace metod a způsoby analyzování výkonnosti těchto metod (viz. kap. 2. a kap. 3 ). Byla následně stanovena jednotlivá kritéria a metodika pro praktickou analýzu a vlastní hodnocení efektivnosti 3d vizualizačních metod.

4.3 Další postup řešení Dalším postupem při řešení disertační práce bude praktická analýza, zabývající se již konkrétními výsledky pro závislosti renderovacích modulů a hardwarových konfigurací. Následně evaluací těchto výsledků a výběrem nejvhodnější metody či metod pro aplikaci na projekty průmyslového designu.

4.3.1 Praktická analýza Část praktické analýzy se zaměří na systematické testování renderovacích systémů. Toto testování bude probíhat na různých renderovacích modulech při zachování stejných obecných parametrů modelové scény (materiály objektů, definice scény, osvětlení scény..). Hlavním cílem této části je určit výkonnost jednotlivých renderovacích modulů. Parametrem pro určení této výkonnosti je poměr vizuální efektivnosti vztažené k časové náročnosti. Jelikož efektivnost je částečně subjektivní kriterium, bude nutno vytvořit určitý testovací vzorek, který proběhne hodnocením více subjektů pro dosažení objektivního posouzení. Časová závislost bude také testována vzhledem ke specifické konfiguraci hardware. Testovací závislosti: • doba renderingu v závislosti na typu CPU (single, dual core, Hyper-threading) • doba renderingu v závislosti na množství RAM Praktická analýza bude uzavřena vyhodnocením renderovacích systémů dle kriterií • vizuální efektivnost (výsledná kvalita výstupu dle vstupních požadavků) • výuková křivka (složitost přípravy vstupních dat pro renderovací modul) • čas výpočtu (doba samotného výpočtu pro dosažení požadované standardní kvality)

POJEDNANÍ k SDZ


15

4.3.2 Moduly pro testování Systémy pro testování a renderovací moduly, budou vybrány tak aby pokryly nejčastěji používané nástroje pro vizualizaci designérských projektů na Odboru průmyslového designu. Do testů budou také zahrnuty některé Open Source moduly pro rozšíření testovacích metod. Testovaný software:

Rhinoceros 3D – Nurbs modeler Cinema4D – Polygon modeler

Testované moduly:

Flamingo Rhino renderer V-RAY Maxwell renderer Advanced render v2.5 final render stage2 Indigo

Testované metody:

Non Photo Realistic Raytrace Global illumination Image based lighting - HDRI Unbiased rendering

Cíl disertační práce

POJEDNANÍ k SDZ


16

5. Závěr

Závěr

V projektech průmyslového designu je v současnosti používáno široké spektrum 3d vizualizačních technik, založených na různých výpočetních metodách. Přesto že se tyto metody dnes již běžně integrují do řešení projektů, je patrné, že často není využit plně jejich potenciál anebo naopak není správně odhadnuta efektivnost metody ze strany uživatele. Tento fenomén je také částečně způsoben tím, že prakticky všechny metody jsou běžně prezentovány jako nejspolehlivější a nejúčinnější řešení. V praxi se pak běžně užívá zbytečně komplexní metoda na poměrně elementární úkol a naopak. Po zhodnocení současného stavu na poli 3d vizualizací bylo zjištěno, že pro srovnání výkonnosti a efektivnosti 3d vizualizačních metod existují pouze omezené studie. Komplexnější srovnání, které by přesněji definovalo vhodnost určitých metod či metody pro konkrétní typ projektu není v běžné praxi řešeno. Další fází této práce bude praktická analýza, kdy bude hodnocena efektivnost jednotlivých metod v závislosti na kvalitě výstupu a časové náročnosti. Vybraná vizualizační metoda, která ve srovnávací studii se prokáže jako nejefektivnější bude poté použita ve finální etapě pro vytvoření modelové 3d vizualizace.

POJEDNANÍ k SDZ


17

6. Literatura a zdroje. [1]

CGSOCIETY - Society of digital artists. [online]. 2007 [cit. 11-10-2007]. Dostupné na world wide web: < http://features.cgsociety.org/story_custom.php?story_ id=1647&page=2>

[2]

COMPHIST - History of computing. [online]. 2004 December 5. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[3]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Raytracing. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[4]

THE OHIO STATE UNIVERSITY - Wayne Carlson. [online]. 2003. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web: < http://design.osu.edu/carlson/history/ lessons.html>

[5]

Jesen, Henrik Wann. Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping. A. K. Peters. 2001

[6]

3D Lighting: History, Concepts, and Techniques, Arnold Gallardo, 2000, ISBN 1584500387

[7]

Digital Lighting and Rendering, Jeremy Birn,2006, ISBN 0321316312

[8]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, 3d Computer graphics. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[9]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Non-photorealistic_rendering. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[10]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, 3D_rendering. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[11]

PREISS, J. POKROČILÉ METODY VIZUALIZACE - fotorealistické osvětlení scény pomocí HDRI. In Sborník 45. konference katedry části a mechanismů strojů. 2004. s. 54-56.

[12]

Žára J., Beneš B., Sochor J., Felkel P., Moderní počítačová grafika, Computer press, 2005.

[13]

3D GRAFIKA.cz [online]. 8. 1. 2001. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[14]

Buriánek J., Principy algoritmů stínování, Pixel 77, 78, 79/80, 2004.

[15]

Buriánek J., Fyzikálně korektní osvětlení v počítačové grafice, Pixel 97, 98, 99, 2005.

[16]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Ray Tracing. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[17]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Radiosity. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

Literatura a zdroje

POJEDNANÍ k SDZ


18

[18]

FLIPCODE.com - Daily game development News & Resources. [online]. 1999 May 20. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[19]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Radiosity. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web: < http://en.wikipedia.org/wiki/ Radiosity>

[20]

Globální osvětlovací metody v architektonické vizualizaci Ing. arch.Václav Apl, Ústav Techniky Tvorby FA VUT Brno 2005

[21]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Image based lighting. [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[22]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, High dynamic range imaging [online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[23]

Paul E. Debevec and Jitendra Malik.r Proceedings of SIGGRAPH 97, Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, pp. 369-378 (August 1997, Los Angeles, California). ISBN 0-89791-896-7

[24]

Paul Debevec. Proceedings of SIGGRAPH 98, Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, pp. 189-198 (July 1998, Orlando, Florida). ISBN 0-89791-999-8.

[25]

WIKIPEDIA - The free encyklopedia, Bias in rendering[online]. 2007 November 10. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[26]

RHINO3D.cz - GI metody a jejich implementace ve V-Rayi. [online]. 4. 8. 2006. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[27]

PUSH PULL BAR - Design and architecture forum. [online]. 2007. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[28]

RHINO3D.Cz - Prvni krucky ve v rayi pro rhino 3 dil. [online]. 18. 1. 2007. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[29]

EXTREME TECH.COM [online]. 18. 1. 2007. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

[30]

3DSOFTWARE.cz - MAXON CINEBENCH R10 uvolněn. [online]. 8. 8. 2007. [cit. 11-10-2007]. Dostupné na World Wide Web:

Pozn.

Veškeré informace čerpané z portálu wikipedia.org jsou publikovány v souladu s Gnu Free Documentation licencí. POJEDNANÍ k SDZ


19

Obsah

POJEDNANÍ k SDZ

www.uk.fme.vutbr.cz


20

Vizualizace 3d designu ve strojírenství

Recommend Documents