レイトレーシングによるコンピュータグラフィクス入門

担当教員

金森由博 (kanamori@cs, 内線 5724, F 棟 828)　　工藤博幸 (kudo@cs, 内線 5516, 総合 B 棟 902)
※メールアドレスは上記 "@cs" に続けて、".tsukuba.ac.jp" としてください。

情報メディア実験のレポート

提出物

• レポート (※形式は PDF, Word, HTML など、結果画像を入れてほしいのでプレーンテキストは不可)
• ソースコード

提出方法

• レポートはメールに添付か、ソースコードと同じ要領で提出
• ソースコードは、コンパイルに必要な全ファイルを zip 形式などに圧縮し、Web 経由でアクセスできる場所に置いて、その URL をメール (※ソースコードはファイルサイズが大きくなりそうなので、メール添付不可)
• メールは金森 (kanamori<AT>cs.tsukuba.ac.jp) まで、締切は 3/2 (金) 17:00

レポートの作成要領

• 分量は A4 用紙の 1〜2 ページ程度
• 氏名、学籍番号も記入
• ソースコードの置いてある URL を記入
• プログラムの実装できたところまでについて、以下を載せる
  1. 実装した内容の簡単な説明
  2. それぞれについて結果画像 1, 2 枚
  3. ソースコードのどこが関連するかについての情報
• 実験の感想、改善案 (以下は例)
  • 「…がよかった/悪かった/難しかった」
  • 「○○な内容を期待していたのに××だった」
  • 「教材は…となっていればよかった」
  • 「…のような課題をやれればよかった」

実習教材

2012/2/8 (水)

• 三角形メッシュのための法線ベクトル計算のテスト用データ

2012/2/1 (水)

• AxisAlignedBox とレイの交差判定のためのシーンファイル
• ユニフォームグリッドのための追加のシーンファイル

2012/1/27 (金)

• レジュメ「ユニフォームグリッドを用いたレイと三角形メッシュの交差判定の高速化」

2012/1/20 (金)

• レジュメ「三角形メッシュ」の修正および補足

2012/1/12 (木)

• 新しいソースコードのための [環境マッピング用シーンファイル]
• レジュメ「三角形メッシュ」, [三角形メッシュ用シーンファイル]

2012/1/11 (水)

• ※新しいソースコードでのテクスチャのテストには [この texture_test.cfg] を使ってください。ソースコード同梱のものは問題がありました。
• レジュメ「Image-Based Lighting」, サンプルファイル [シーンファイル] [結果画像]

2011/12/21 (水)

• ※雛形となるソースコードをバージョンアップしました。レジュメの指示にしたがって更新をお願いします。
  • レジュメ「課題用プログラムのアップデートについて」
  • 新しい雛形ソースコード ※環境マッピングの最新のコードも含んでいます。
• レジュメ「環境マッピング」 ※メモリレイアウト (図4) を更新しました。ただし新しいソースコード用です。
• 環境マッピングのためのシーンファイルと追加の環境マップ ※正しく計算できたかどうかの確認には test_environment_map.hdr を使ってください。x の正の方向に赤い矢印、y の正の方向に緑の矢印、z の正の方向に青い矢印が球面に映り込んで、それらの向きが揃えば正解です。

2011/12/14 (水)

• レジュメ「アンチエリアシング」, サンプリング用のシーンファイルとレンダリングの結果画像

2011/12/09 (金)

• レジュメ「光の反射・屈折の計算」, 完全鏡面反射サンプル [シーンファイル] [結果画像], 屈折サンプル [シーンファイル] [結果画像]

  ※レジュメ中の " main.cpp ファイルの RecursiveRayTrace 関数 " というのは誤りで 正しくは " RecursiveRayTracer.cpp ファイルの traceRec 関数 " です。

• レジュメ「テクスチャマッピング」, テクスチャマッピング用のシーンファイルとレンダリングの結果画像

2011/12/07 (水)

• 雛形ソースコード (ライブラリ同梱)　[zip]
• レジュメ「C 言語経験者のための C++ 入門」
• 第 1 回レジュメ
• レジュメ「ベクトル・マトリクスライブラリの使用方法」, 三角形 (四面体) サンプル [シーンファイル]
• レジュメ「レイと三角形の交差判定」
• レジュメ「物体の陰影の計算」, diffuse サンプル [シーンファイル] [結果画像], phong サンプル [シーンファイル] [結果画像]

実習の手順

詳細は配布資料や実習教材のテキストを参考にしてほしい。

1. 雛形ソースコードを入手・コンパイル

   同梱の Visual Studio 2008 用プロジェクトファイルを用いてコンパイルする。Linux や Mac で開発したい場合は応相談。

2. 「視線 (レイ) と三角形との交差判定」を実装

   視点から見える物体を調べるために、 視点から放射される直線 (視線) と物体とが互いに交差するかを計算する。 そして視線上の交点のうち、一番視点に近いものを出力する。 あらかじめ、レイと球や平面との交差判定は実装されているので、 それを参考に、レイと三角形の交差判定を実装する。

3. 物体の陰影の計算

   簡単のため、光が物体表面で 1 回だけ反射して視点に届くものと仮定すると、 物体表面での反射光の色を計算すればよい。 この色は、物体の材質によって異なる。 いくつかの単純化された材質モデルを用いて、この計算を行う。

4. 光の反射・屈折の計算

   上記 3 では反射が 1 回と単純化したが、実際には光は視点に届くまでに反射や屈折を繰り返す。 光が鏡面・屈折面のみで反射・屈折するものとして、光が複数回反射した結果得られる色を計算する。

5. テクスチャマッピング

   物体表面に、関数や画像データなどを用いて模様をつける。これによって、 物体の見た目をより写実的にすることができる。

6. アンチエリアシング

   テクスチャマッピングを施したとき、特に白黒のチェッカー模様のテクスチャを使うと、 遠くの物体では模様にギザギザが現れて見た目が悪くなる。このような視覚的不具合をエリアシングとよび、 その対策をアンチエリアシングという。一般的な対策として、画素ごとのサンプル数 (レイの数) を 増やし、フィルタリングを行う。

7. 環境マッピング

   物体を取り囲む背景を画像として与え、反射光をその背景画像に基づいて計算すると、 比較的容易に写実的な画像が得られる。物体が鏡面であり、光が物体に遮られることなく物体表面で 1 回だけ反射すると仮定する。 このとき、反射光を背景画像の対応する画素によって決定する処理は 一種のテクスチャマッピングであり、特に、環境マッピング (反射マッピング) と呼ばれる。 サイコロのような六面体の展開図として与えられる背景画像を用い、環境マッピングを行う。

8. Image-based Lighting (IBL)

   環境マッピングは完全鏡面や屈折面を対象としていたが、環境マップを光源と見立てて 拡散面や光沢面の照明を行うには、あらゆる方向から入ってくる光を考慮する必要がある。

9. 三角形メッシュの読み込み (2011 年度追加予定)

   複雑な 3D モデルを表現するのに、三角形を網目状に配置した三角形メッシュがよく用いられる。三角形メッシュを読み込んでレンダリングできるようにする。

10. 一様グリッドによる高速化 (2011 年度追加予定)

    レイとの交差判定を行う対象の物体数が増えると、計算に非常に時間がかかるようになる。特に三角形メッシュなどは、ひとつの物体の中に数多くの三角形が含まれるため、レンダリングに時間がかかる。ここでは三角形メッシュに一様グリッドと呼ばれる空間的データ構造を導入し、高速化を図る。

11. メタボール (2011 年度追加予定)

    陰関数曲面 ( f(x) = 0 という方程式の根となる点 x の集合であるような曲面 ) を用いると、なめらかな曲面を表現できる。そのひとつである、メタボールを用いて、有機的な形状をレンダリングできるようにする。