Vizualizáció és képszintézis

A tantárgy angol neve: Visualization and Rendering

Adatlap utolsó módosítása: 2014. október 2.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Informatika MSc
Vizuális informatika főspecializáció
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIIIMA00 1 2/1/0/v 4  
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)

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

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

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 óra42 
Félévközi készülés órákra10
Felkészülés zárthelyire10
Házi feladat elkészítése30
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása20
Vizsgafelkészülés8
Összesen 120
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Dr. Csébfalvi Balázs

Dr. Szécsi László