BME VIK - Vizualizáció és képszintézis

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Szécsi László,

A tantárgy tanszéki weboldala https://portal.vik.bme.hu/kepzes/targyak/VIIIMA07/

4. A tantárgy előadója Dr. Csébfalvi Balázs
Dr. Szécsi László

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít számítógépes grafika, lineáris algebra, analízis, programozás

6. Előtanulmányi rend

Kötelező:

NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIIIM370" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIIIM370", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0
VAGY
TárgyEredmény( "BMEVIIIMA23" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIIIMA23", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

Ajánlott:
számítógépes grafika

7. A tantárgy célkitűzése A tárgy a 3D virtuális világok, mért és absztrakt adatok fizikai alapú és illusztratív képszintézisének módszereit tárgyalja.
A tárgy hallgatói képessé válnak a hagyományos inkrementális képalkotáson túlmutató vizualizációs feladatok megoldásainak mérnöki tervezésére, valamint hátteret szereznek a területen végzett tudományos kutatómunkához, illetve ipari innovációhoz.
A tárgyalt témák ismerete elengedhetetlen az animációs iparban használt produkciós eszközök fejlesztéséhez, a mérnöki, orvosi, valamint tudományos vizualizációhoz.

8. A tantárgy részletes tematikája

1. Optikai és radiometriai alapok

A fény jellemzői, fluxus, sugársűrűség, spektrum. Árnyalási egyenlet felületeken és fényelnyelő anyagokban. Fresnel összefüggések, BRDF, hatáskeresztmetszet.

2. A globális illumináció módszerei

Végeselem-módszer, radiosity. Monte Carlo módszer, torzítatlanság, szórás, mintavételezés, fontosság szerinti mintavételezés. Fényútkövetés. Orosz rulett.

3. Modern globális illumináció

Fotontérkép-módszer. Hatékony közelségi keresés, kd-fa. Virtuális pontfények módszere. Tüskék kizárása. Light Cuts. Metropolis-módszer. Manifoldfeltárás.

4. Térfogati adatmodellek.

Newtoni (rácsalapú) és lagrange-i (részecske-alapú reprezentációk). Implicit felületmodellek. Skalármezők leírása, fizikai analógiák, transzfer függvény.

5. A térfogat-vizualizáció matematikai alapjai.

Mintavételezési elmélet: folytonos rekonstrukció, Fourier transzformáció, Nyquist-kritérium, rekonstrukciós szűrők frekvenciatartománybeli elemzése.

6. Indirekt térfogatvizualizációs eljárások.

Masírozó kockák (marching cubes), Fourier térfogat-vizualizáció, Monte Carlo térfogat-vizualizáció.

7. Direkt térfogatvizualizációs eljárások.

Sugárkövetés (ray casting), pacázás (splatting), nyírás/torzítás transzformáció (shear-warp transformation).

8. Approximációelmélet.

Approximációs rend, rekonstrukciós szűrők osztályozása aszimptotikus hiba szerint, adott rendű rekonstrukciós és derivált szűrők tervezése.

9. Optimális reguláris mintavételezés.

Optimális gömbpakolási feladat. Kepler-sejtés. Általános mintavételezési elmélet. Tércentrált kockarács, lapcentrált kockarács. Nem szeparálható szűrők tervezése és frekvenciatartománybeli elemzése.

10. Alaktartó interpoláció (shape-based interpolation).

Előjeles távolság-transzformáció, radiális bázisfüggvény (RBF) módszerek. Radon-transzformáción alapuló módszerek.

11. Illusztratív képszintézis és animáció.

Celluloid-árnyalás. Stílustranszfer. Kontúrrajzolás. A kontúrélek fajtái. Hajtás- és sziluettélek Markosian-féle és Herzmann-Zorin-féle definíciói. Kontúrélek detektálása. A takart-vonal probléma megoldási lehetőségei: geometriai és közelítő képtérbeli módszerek, mélységminták szűrése. Kontúrgörbék paraméterezési lehetőségei. Vonalak stilizálása, önhasonló minták, Markov modell.

12. Illusztratív animáció.

Az animáció konzisztencia-követelményei: képtérbeli és objektumtérbeli konzisztencia. A konzisztencia megsértésének következményei: az üvegajtó-hatás és a stílusvesztés. Vonalkázás képtérben: képfeldolgozási szűrők, részecske-alapú festményszerű megjelenítés, animáció optikai áramlással. Vonalkázás objektumtérben: magpontok előállítása, szalagokká kihúzása és kompozitálása. Vonalkázás textúratérben: tonal art maps, recursive tonal art maps. Paraméterezési problémák.

13. Inverz feladatok

Tomográfia. Orvosi képalkotó beredezések: CT, MRI, PET, SPECT. Szűrt visszavetítés. EM módszer. Monte-Carlo és adjungált Monte-Carlo módszerek.

14. Production rendering

Az animációs munkafolyamat. Hardver- és szoftvereszközök, asset server, renderfarm, RenderMan, VRay. Kompozitálás. Nuke. Megkötések és költség-megfontolások.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás.

10. Követelmények

A szorgalmi időszakban: A félévvégi aláírás feltétele a tárgy anyagához kapcsolódó házi feladatok (otthoni feladat) megfelelő színvonalú elkészítése, és az írásbeli zárthelyi dolgozat sikeres megírása. A házi feladatok a vizsgajegybe beszámítanak, egyenként 20% súllyal. A feladatok a következő témakörökhöz kapcsolódnak:

1. Globális illumináció (pl. egyszerű fényútkövetés)

2. Térfogatvizualizáció (pl. ray marching)

3. Nem fotorealisztikus képszintézis (pl. kontúrrajzolás)

A zárthelyi dolgozat az elméleti ismeretek számonkérésére koncentrál. A vizsgajegybe az eredménye 20% súllyal számít bele.

A vizsgaidőszakban: A hallgatók a tárgyból szóbeli vizsgát tesznek. A házi feladatok összesen 60%, a ZH dolgozat 20% súllyal számít bele a vizsgajegybe. A vizsga feltétele az aláírás megszerzése.

Elővizsga: Nincs.

11. Pótlási lehetőségek A házi feladatok a kitűzött leadási határidejük leteltét követő két héten belül pótlólag leadhatók. A házi feladatok egyike a pótlási héten pótlólag beadható. A zárthelyi dolgozat a pótlási héten pótzárthelyi formájában pótolható vagy javítható.

12. Konzultációs lehetőségek Az előadásokat követően, illetve az előadókkal egyeztetve igény szerint.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

A előadások fóliái és a kapcsolódó szöveges jegyzetek letölthetők a tárgyhonlapról. További javasolt irodalom:

Szirmay-Kalos László, Antal György, Csonka Ferenc:

Háromdimenziós grafika, animáció és játékfejlesztés

ComputerBooks, 2003.

Szirmay-Kalos László, Szécsi László, Mateu Sbert:

GPU-Based Techniques for Global Illumination Effects

Morgan and Claypool Publishers, 2008.

Weiskopf, Daniel. GPU-based interactive visualization techniques. Berlin: Springer, 2007.

Gooch, Bruce, and Amy Gooch. Non-photorealistic rendering. Vol. 2. Wellesley: AK Peters, 2001.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	10
Felkészülés zárthelyire	10
Házi feladat elkészítése	30
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	20
Vizsgafelkészülés	8
Összesen	120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Dr. Csébfalvi Balázs

Dr. Szécsi László