Computergraphik - Grundlagen WS'19/20
Vorlesung mit Übung

Gewinner der Raytracing Competition 2019
Fabian Blömker, Nikkel Heesen und Melvin Scharke                                              Adrian Hoff, Malte Wessels, Hendrik Zajonc

Freigegeben unter den Bedingungen der CC-BY-SA-3.0

Aktuelle Informationen:

• Das Modul kann im Master nur belegt werden, wenn dieses oder ein äquivalentes Modul noch nicht im Bachelor-Studiengang belegt wurde.

Beschreibung:

In der Vorlesung werden die theoretischen und praktischen Grundlagen der Computergraphik vermittelt. Neben einem allgemeinen Überblick über das Gebiet der graphischen Datenverarbeitung liegt der Schwerpunkt der Vorlesung auf Bildsyntheseverfahren (Rendering). Am Beispiel des Ray Tracing-Ansatzes werden eine Reihe fundamentaler Themen der Bilderzeugung sowohl theoretisch als auch praktisch erklärt. Als Teil der vorlesungsbegleitenden Übungen entwickeln die Vorlesungsteilnehmer ihr eigenes Ray Tracing-Programm und lernen auf diese Weise typische Rendering-Probleme und -Lösungen am praktischen Beispiel kennen. Am Ende des Semesters wird jeder Student seinen eigenen funktionstüchtigen Ray Tracer entwickelt (und verstanden) haben.

Inhalt:

• Grundlagen der digitalen Bildverarbeitung
• Physikalische Gesetze des Lichttransports
• Die menschliche visuelle Wahrnehmung
• Der Ray Tracing-Ansatz
• Geometrie und Transformation
• Objekt- und Szenenmodellierung
• Beschleunigungsstrukturen
• Material- und Reflektionsmodelle
• Textur
• Grundlagen der Bild-Signalverarbeitung
• Sampling
• Anti-Aliasing

Ort und Zeit:

• Vorlesungsbeginn: Mittwoch, 23.10.2019, 9:45-11:15 Uhr in IZ 160 (MP 23.3)
  
• Übungsbeginn: Freitag, 25.10.2019, 9:45-11:15 Uhr in IZ G40 (MP 23.2)
• Vorlesungszeit: Montag, 21.10.2019 - Samstag 08.02.2020, Weihnachtsferien: Sonntag, 22.12.2019 - Sonntag 05.01.2020

Vorlesungsfolien:

Die Vorlesungsfolien und Übungsblätter sind durch ein Passwort geschützt. Das Passwort wird in der ersten Vorlesung bekannt gegeben.

Übungen:

Die Übungen werden über unseren institutsinternen Git-Server verteilt. Bitte erstellen Sie einen Account auf https://git.cg.cs.tu-bs.de/ und schreiben Sie eine EMail mit Ihrem Account an cgg@cg.cs.tu-bs.de, damit wir Sie in die Gruppe eintragen können.

Das Repository wird wöchentlich aktualisiert und befindet sich hier: https://git.cg.cs.tu-bs.de/CG1/WS1920

Einige der Übungen benötigen zusätzliche Daten, die sich nicht im Repository befinden. Diese können Sie hier herunterladen.

Für alle, die versuchen, das Projekt unter Windows zu kompilieren: Die Bildbibliothek hängt von GraphicsMagick (http://www.graphicsmagick.org/) und davon, dass gm.exe im Pfad zu finden ist!

Ray-Tracing Competition

Beispielergebnisse der Raytracing Competition 2016
Links: Kevin Wegener, Rechts: Martin Busch

Freigegeben unter den Bedingungen der CC-BY-SA-3.0

Die Teilnahme an der Ray-Tracing Competition ist Teil der Studienleistung

• Präsentation am 05.02.2020 im Vorlesungsraum (IZ 160) zur Vorlesungszeit (9:45 Uhr)  
  (Zeigt Bilder, erklärt, was ihr implementiert habt und an welchem Teil der Szene man eure Erweiterung erkennen kann)
• 5-6 Minuten pro Gruppe
• Folien und Source Code müssen bis 03.02.2020, 23:59 Uhr eingereicht sein
• Gruppengröße: Einteilung wie bisher
• Zielsetzung: Erweiterung im "Wert" von "Gruppengröße * 100" Punkten
• Notwendig: Erreichen von "Gruppengröße * 50" Punkte
• Mögliche Erweiterungen:
  • Baut eine komplexe, schöne Szene (bis zu 60 Punkte)
  • Neue komplexere Shader: (Punkte je nach Komplexität)
    
    • parallax mapping (50 Punkte)
    • nicht-photorealistisches Rendering (cel-, sketch-shading, ..., je 40 Punkte)
    • subsurface effects (80 Punkte)
  • Tiefenunschärfe, Flächen- / Volumenlichtquellen, … (je 100 Punkte)
  • MIP-Mapping, Prozedurale Texturen, Bewegungsunschärfe… (je 60 Punkte)
  • Tesselation von Geometrie, prozedurale Geometrie… (je 80 Punkte)
  • Spline Oberflächen, … (100 Punkte)
  • Globale Beleuchtung / Path Tracing (200 Punkte)
  • Portierung des Raytracers auf die GPU (CUDA/OptiX/OpenCL) (200 Punkte)
  • Und vieles mehr: Kaustiken, Multi-Spektrales Rendering, Polarisation, ...
• Freie 3D-Modelle. Beachtet: Polygonal Tris only.

Zusatzmaterial

Hier findet ihr Zusatzmaterial, welches hilfreich sein könnte.

• C++-Kompakt - Ein einfache Einführung in C++ (slides) 

Anforderungen:

Programmierkenntnisse empfohlen. 

Klausur:

• 12.02.2020: 9:45-11:15 Uhr in IZ 160 (MP 23.3)
• Zugelassene Hilfsmittel:
  • Wörterbuch

Literatur:

• Andrew Glassner, An Introduction to Ray-Tracing, Academic Press, 1989
• James Foley, Andries van Dam, et al., Computer Graphics : Principles and Practice, 3. Ausgabe, Addison-Wesley, 2013
• Andrew Glassner, Principles of Digital Image Synthesis, 2 Bände, Morgan Kaufman, 1996
• Alan Watt, 3D Computer Graphics, Addison-Wesley, 1999
• Peter Shirley, Realistic Ray-Tracing, 2.Ausgabe, AK Peters, 2003
• Frank Nielsen, Visual Computing, Charles River Media, 2005
• Matt Pharr und Greg Humphreys, Physically Based Rendering, 3. Ausgabe, Morgan Kaufmann, 2016
• Steven J. Gortler, Foundations of 3D Computer Graphics, Mit Press, 2012