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Bildsynthese, SS 2021

Dozent: Prof. Dr. Thorsten Thormählen
 
Modulbezeichnung: CS 681
 
Wichtiger Hinweis: Das Modul kann in diesem Semester leider nicht angeboten werden. Nächste Gelegenheit ist im Sommersemester 2021. Eine mögliche Alternative für das Sommersemester 2020 ist das Modul Multimediale Signalverarbeitung
 

Computer-generierte Bilder werden heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten verwendet. Für einige Anwendungen (wie z.B. bei der Erzeugung von Bildern in der Filmindustrie, Werbung oder Medizin) werden typischerweise sehr hohe Anforderungen an die visuelle Qualität gestellt. Die Vorlesung "Bildsynthese" behandelt Verfahren, die es erlauben, photo-realistische Bilder von virtuellen Szenen zu erstellen. Dazu bedarf es einer detaillierten Modellierung und Beschreibung der Szene. Außerdem muss die Lichtausbreitung innerhalb der Szene mittels globaler Beleuchtungsmodelle simuliert werden, was äußerst rechenaufwändig ist. Allerdings lassen sich die Berechnungen leicht parallelisieren, so dass viele Recheneinheiten gemeinsam an der Erzeugung eines Bilds arbeiten können. Heutige Grafikkarten (GPUs) besitzen sehr viele parallele Recheneinheiten und die Vorlesung behandelt Technologien (insbesondere CUDA und OptiX), die es erlauben, diese Recheneinheiten effizient zu nutzen und komfortabel zu programmieren.

Qualifikationsziele

In der Vorlesung werden Methoden vorgestellt, die es den Teilnehmern ermöglichen, computer-generierte Bilder von hoher visueller Qualität zu erstellen. Dies umfasst z.B. Themen, wie die Modellierung einer dynamischen virtuellen Szene, Freiformkurven und –flächen, Verfahren zur globalen Beleuchtung, oder Methoden zur Darstellung von Volumendaten. Ein weiteres Ziel der Vorlesung ist, den Teilnehmern ein Verständnis für die Architektur aktueller Grafikkarten zu vermitteln, so dass die Grafikkarte als ein enorm leistungsfähiger Stream-Prozessor mit vielen parallelen Recheneinheiten begriffen wird, der auch für aufwändige Berechnungen außerhalb der Computergrafik eingesetzt werden kann. Hierzu wird die parallele Programmierung der Grafikkarte mittels CUDA an praktischen Beispielen geübt. Außerdem soll die allgemeine Fähigkeit zum wissenschaftlichen Arbeiten und zum Lösen von Problemen sowie die Kommunikationsfähigkeit der Teilnehmer verbessert werden.

Voraussetzungen

Die Vorlesung erfordert Grundkenntnisse über Datenstrukturen, Algorithmen und objekt-orientierte Programmierung. Desweiteren werden grundlegende Techniken der Grafikprogrammierung vorausgesetzt, wie sie in der Vorlesung Grafikprogrammierung vermittelt werden.

Organisation

Die Veranstaltung besteht aus einer Vorlesung (4 SWS) und einer Übung (2 SWS). 

Vorlesung: Di. 10:15 - 11:45 Uhr, Do. 10:15 - 11:45 Uhr,  MZ 6 Hörsaal HS III A3
Übung: Do. 12:15 - 13:45 Uhr,  MZ 6 Hörsaal HS III A3 bzw. PC-Pool A4
Übungsleiter: Sebastian Lieb

Gliederung der Vorlesung

  1. Simulation des Lichttransports 
  2. Globale Beleuchtung
    • Ray-Tracing
    • Radiosity
    • Monte-Carlo-Verfahren (Distributed Ray-Tracing, Path-Tracing)
    • Photon Mapping
    • Instant Radiosity
  3. CUDA
    • Einführung in CUDA
    • Programmieren mit CUDA
    • Effizientes Programmieren von Stream-Prozessoren 
    • Globale Beleuchtungsverfahren mit CUDA
  4. 3D-Modellierung
  5. Volumen-Rendering
  6. Einführung in OptiX
 

Vorlesungsfolien

Die Vorlesungsfolien werden jeweils kurz vor der Veranstaltung auf dieser Webseite verlinkt. Die Folien sind derzeit nur für die Studenten der Philipps-Universität Marburg zugänglich. Der Login wird in der Vorlesung bekannt gegeben.

Teil Kapitel Titel Link
0. Einführung 1 Einführung und Organisation pdf (intern)
1. Lichttransport 1 Simulation des Lichttransports pdf (intern)
2. Globale Beleuchtung 1 Ray-Tracing pdf (intern)
2 Radiosity pdf (intern)
3 Monte-Carlo-Verfahren pdf (intern)
4 Photon Mapping pdf (intern)
5 Instant Radiosity pdf (intern)
3. CUDA 1 Einführung in CUDA pdf (intern)
2 Programmieren mit CUDA pdf (intern)
3 Effiziente parallele Algorithmen pdf (intern)
4 Globale Beleuchtungsverfahren mit CUDA pdf (intern)
4. 3D-Modellierung 1 3D-Modellierung pdf (intern)
5. Volumen-Rendering 1 Volumen-Rendering pdf (intern)


Übungszettel

Die Anmeldung zur den Übungsgruppen erfolgt über die Lernplattform ILIAS. Die Abgabe des Übungszettels muss bis dienstags 12:00 Uhr per E-Mail (PDF oder Text bzw. Quelltexte) an den jeweiligen Tutor erfolgen. Der Login wird in der Vorlesung bekannt gegeben.

Zettel Nr. Thema Link
1 Ray-Tracing pdf, Vorlage
2 Ray-Tracing (Beschleunigung I)
pdf, Vorlage
3 Ray-Tracing (Beschleunigung II) pdf, Vorlage
4 Path-Tracing pdf, Vorlage
5 Rendering Wettbewerb / Theoriefragen pdf
6 Rendering Wettbewerb / CUDA pdf, Vorlage
7 CUDA GPU vs. CPU pdf
8 CUDA Shared-Memory u. Atomics pdf
9
Rendering Wettbewerb pdf

Rendering Wettbewerb

Am Ende der Vorlesung nehmen die Teilnehmer an einem Rendering Wettbewerb teil. Aufgabe ist, mit dem eigenen Ray-Tracer ein möglichst realistisches Bild zu generieren. Die Gewinner erhalten eine Urkunde und ein Grossformatdruck ihres Bildes.

CUDA Ray-Tracer

In der Vorlesung wird gemeinsam ein einfacher Ray-Tracer in C++ und CUDA entwickelt. Der Quellcode der verschiedenen Entwicklungsstände ist hier verlinkt.

Version Datum Link
CPU 1 30.04.2019 source (intern)
CPU 2 06.06.2019 source (intern)
GPU 1 03.07.2019 source (intern)


Diese Vorlesung ist Teil des Lehrangebots im Rahmen des NVIDIA CUDA Teaching Center Programms an der Philipps-Universität Marburg
NVIDIA Teaching Center

Zuletzt aktualisiert: 08.04.2020 · thormaeh

 
 
 
Fb. 12 - Mathematik und Informatik

AG Grafik und Multimedia, Hans-Meerwein-Straße 6, D-35032 Marburg
Tel. +49 6421 28-21514, Fax +49 6421 28-25466, E-Mail: heinb@mathematik.uni-marburg.de

URL dieser Seite: https://www.uni-marburg.de/fb12/arbeitsgruppen/grafikmultimedia/lehre/grafik2

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