cpg - plzeň

CPG - Plzeň

Václav Skala

Ivo Hanák, Martin Janda, Libor Váša

Ivana Kolingerová, Josef Kohout, Jiří Skála,

Petr Lobaz, Slavomír Petrík, Petr Vaněček

Vít Ondračka

Jan Kaiser, František Novák, Vojtěch Hladík

CPG projekt - Plzeň 2/55

Obsah

Libor Váša– metody redukce dynamických sítí

Martin Janda, Ivo Hanák– digitální holografie

Petr Lobaz– principy komprese hologramů

Ivana Kolingerová, Josef Kohout, Jiří Skála– výpočetní geometrie velkých rozměrů v

paralelním a distribuovaném prostředí

Slavomír Petrík, Petr Vaněček [& Jan Patera]– metody extrakce iso-ploch t-variantních dat

Redukce velikosti dynamických sítí

Libor Váša


Obsah

Úvod– definice– problém

State of the art– komprese– simplifikace

Vyhlídky– vylepšená Clustered PCA– 4D metrika


Definice

Dynamická síť– série statických trojúhelníkových sítí– nemění se konektivita– geometrie se mění málo (časový vývoj)

Komprese– nemění konektivitu

Simplifikace– mění konektivitu


Problém

Velikost pro přenos = v x f x 24 Byte

Dynamická varianta problému– využít časovou koherenci

• data z blízkých snímků jsou si podobná

– zachovat časovou koherenci• série optimálních řešení není optimální řešení


State of the art

Komprese– prediktory + delta coding– časoprostorové prediktory

• zobecněný kosodélníkový prediktor• Replica

V jaké metrice probíhá optimializace pomocí prediktorů/kvantizace?

v’’’

v’

v’’

vA

B

C

v’

v


State of the art

Komprese pomocí PCA– vstup:

• snímek• trajektorie

– výstup• dekorelovaná báze• koeficienty – část se zanedbá

Je lepší PCA přes trajektorie nebo přes snímky?


State of the art

Clustered PCA– prostorový clustering podle efektivity PCA

aplikované na trajektorie– iterační proces– dlouho to trvá

Jak inicializovat clustering pro CPCA?


Simplifikace statických sítí

Decimace – vypouštění vrcholů

Resampling– úplně nová konektivita– rovnostranné trojúhelníky– mapování na čtverec

Kontrakce hran podle ceny– vzdálenost od množiny rovin– změna objemu modelu– kvadriky (lokální popis tvaru modelu)


Simplifikace dynamická

Simplifikace per frame– kódování konektivity

Simplifikace podle globálního kritéria– průměrná hodnota kvadriky– problém s velkými změnami tvaru

Multiresolution simplification– LOD tree pro každý snímek– změna topologie mezi snímky kódovaná

prohozeními (swapy)– dobře využívá koherence– neřeší dynamické problémy


Evaluační nástroje

MSE (PSNR)– suma vzdáleností– neřeší normály

MESH, METRO– neřeší dynamiku

4D reprezentace + Hausdorffova vzdálenost– řeší dynamiku– pomalé, náročné


Simplifikace - koncepty

A) 4D Multiresolution simplification– ceny podle 4D reprezentace – zobecněné kvadriky– simplifikace v jednotlivých snímcích

B) Simplifikace 4D sítě– kontrakce hran ve 4D– velký počet tetrahedronů– kódování konektivity

C) Simplifikace polyhedrální sítě– méně elementů


Shrnutí

máme:– přehled– implementace základních algoritmů (PCA, kvadriky)– 4D evaluační nástroj

budeme mít:– rychlý a efektivní kompresní algoritmus

• prediktorový algoritmus optimalizující Hausdorffovu vzdálenost

• rychlejší CPCA (50:1 při distorzi 3 %)– efektivní simplifikační algoritmus, který řeší dynamické

problémy • jeden z konceptů A, B, C


Publikace

– Frank, M.; Váša, L; Skala, V.: MVE-2 Applied in Education Process, Proceedings of .NET Technologies 2006, Pilsen, Czech Republic (presentation)

– Váša, L.;Skala, V.: A spatio-temporal metric for dynamic mesh comparison, Proceedings of AMDO 2006, Mallorca, Spain

– Frank, M.; Váša, L; Skala, V.: Pipeline approach used for recognition of dynamic meshes, Proceedings of 3IA 2006, Limoges, France (presentation, official photos, my photos)

– Váša, L: Methods for dynamic mesh size reduction. Tech. rep. no. DCSE/TR-2006-07

Děkuji za pozornost

Otázky?

Skupina digitální holografie

Ivo Hanák

Martin Janda

Petr Lobaz


Skupina digitální holografie

Ivo Hanák– vedoucí skupiny– syntéza digitálních hologramů na GPU

Martin Janda– metodiky syntézy digitálních hologramů

Petr Lobaz– komprese holografických dat


Obsah

Holografie– motivace– princip

Výsledky– mapa digitální holografie– STAR digitální holografie– STAR syntetizačních metod– horizontal-parallax only

(HPO)– full-parallax s využitím GPU– paralelizace– vzorově orient. syntéza

Publikační činnost

Budoucí činnost


Motivace

Počítačová grafika: honba za fotorealismem– aproximace– absence poměřovací metody

Relativně panenská oblast PG– vyšší šance na úspěch – více článků– méně chytráků

Hologram: informace o hloubce ve scéně– řádově složitější, než obyčejný obrázek – př.– možné využití koherence

Přichází doba skutečně 3D displejů– ideální technologie – holografie– chybí metodiky pro syntézu holografických dat


Princip holografie

Záznam o intenzitě a směru světla (fáze)– koherentní světlo: LASER– kódování fáze modulací referenční frekvence– obraz: interference vln

Digitální holografie– aproximace optického jevu– vysoká vzorkovací frekvence: ~ 1 MHz

• 17” LCD: 1280×1024 ~ 106 vzorků• 17” HD: 320k×256k ~ 1010 vzorků

– syntéza z umělých dat + rekonstrukce


Mapa oblasti digitální holografie

Complete Holographic PipelineHPU

Fast Hologram Synthesis

Pattern-based Solution Ray-based Solution Diffraction-based Solution (Lucente)

HW-aided Solution

Distributed Solution

Solution of Hi-order Primitives

Solution for TrianglesSolution for Hi-order Curves

Occlusion Solution

Pattern Deformation

Pattern Generation

Triangle Classification

Solution for Lines and Line Segments

Surfacing

Uniform Sphere SamplingDistributed Solution

GPU Aided Solution

Scan-line Solution

Hologram Compression

Fast Hologram Reconstruction· preparation of output for

multiview devices

Accurate Hologram Synthesis

Diffraction pattern propagation in scene

Axis-aligned Space Division Solution· Moravec, H. P. 1981. 3D Graphics

and the Wave Theory

General Space Division Alignment Solution

Adaptive Space Division with Low-number of Cells

Accurate Propagation Between Arbitrary tilted Planes

Accurate Propagation between Overlapping Arbitrary Tilted Planes

Slice-to-slice propagation solution

Fast Propagation Between Orthogonal Planes

Interactive Hologram Reconstruction· Interactive Reconstruction with

level-of-detail mechanism

Accurate Hologram Reconstruction

Diffraction pattern propagation based on summation of complex numbers

Focusing aperture simulation based on summation of complex numbers· required for perspective

HW-aided Solution

Solution for Point Cloud· L.Ahrenberg, P. Benzie, M.

Magnor, J. Watson. Computer generated holography using parallel commodity graphics hardware

The Great Holography PlanExplanation

Theoretical problem

Known/Working Solution created by us

(Bilkent+UWB)

Known/Working Solution created by others

Goal without identified subproblems

Rather technical problem

Hologram Reconstruction

Ivo Hanákthesis primary goal

Ivo Hanákthesis secondary goal

Martin Jandathesis primary goal

Martin Jandathesis secondary goal


STAR digitální holografie

Matematický základ vlnové optiky– užité aproximace

Numerické metody digitální holografie– syntéza– rekonstrukce– extrakce další informace


STAR syntetizačních metod

Plný výpočet: O(N5)– 1 vzorek = 1 pozorovatel scény

Dekompozice scény na body/ray casting– ideální bodové zdroje: u(x)=a/r exp(−ikr)– obtížné řešení viditelnosti– velké množství bodů

Předpočtené vzory pro primitiva– body a čáry– bez řešení viditelnosti a lokálních změn intenzity

Šíření vln: komplikované– bez funkčního řešení


HPO rendrovací roura

Hologramy pouze s horizontálním paralaxem– urychlení obětováním vertikálního paralaxu

Podpora trojúhelníkových sítí– vzorkování není zapotřebí

Podpora osvětlovacích modelů– Phong osvětlení a stínování

Relativně rychlý výpočet


HPO rendrovací roura - přístup

Řezání geometrie– 3D verze řádkové konverze trojúhelníka

Zpracování polygonů, lomených čar v 2D

Výpočet difrakčního integrálu

Angular step

Sampledpoint

Not visibleNot visible

Not visibleOccluded

Contributions

Sampledpoint Integration domain

z

x

z

x


HPO rendrovací roura - přístup

Osvětlení a stínování– osvětlovací model: Phong– texturové souřadnice interpolovány – V předpočítané– N interpolace nebo normálová mapa– D směrové světlo – konstantní ve všech bodech

LLs

A

B

Sampled point

V

N D


HPO - výstup


HPO - shrnutí

Kompletní rendrovací roura

Kompatibilní interface s existujícími nástroji

Verifikace filosofie syntézy


GPU full-parallax rendering

Modifikovaný ray-casting– ortogonální projekce– viditelnost: Z-buffer– vzorky na kulové vlnoploše: a/r exp(−ikr)

Zkosení (slanting) scény: HPO

– xt = x − z tan ξ

– r = zt = z / cos ξ


Princip II

Rozsah úhlu ξ: dle AABB scény

Vzorkování ξ: uniformní krok 1 / 300°– určeno experimentálně– vážení nutné pouze pro velké úhly ξ


Algoritmus

Pro všechny vzorky ξx a ξy

– ztransformuj scénu• xt = x − z tan ξx

• yt = y − z tan ξy

• r = zt = z (1 + tan2ξx + tan2ξx)1/2

– nalezni nejbližší vzorek na povrchu– napočítej vzorek z kulové vlnoplochy– přičti vzorek k součtu z předchozího kroku


Implementace

GPU SM 2.0

Numerická přenost– výpočet: z / cos ξ

• nedostečná velikosti mantisy: 16 – 24 bitů• dekompozice z na vektor: z = aNλ + bλ + c• jednoduchá realizace zaokrouhlení na λ

– výpočet: 1 / cos ξ• Taylorův rozvoj kolem počátku• užití dekomponovaného tvaru


Výsledky

NVIDIA GeForce 6800 GT– 1024 × 1024 vzorků

Králík (16k troj.): 8,1 hod.– textura– difuzní směrové světlo

Kolečko (64 troj.): 6,0 hod.– bez textury– pevné výdaje GPU-renderingu

Koník (96k troj.): 11,8 hod.


Fyzikální ověření


Shrnutí

Syntéza HPO i full-parallax hologramu– ignorování difrakce ve scéně

Viditelnosti řešena s využitím GPU

Kompatibilní s počítačovou grafikou– aplikace libovolného efektu

Distribuce: až lineární urychlení– libovolně velké hologramy


Vzorově orientovaná syntéza

Bázové difrakční vzory základních primitiv– trojúhelníky– úsečky – křivky– body

Složitější objekty - kompozice bázových vzorů



Ověření předpokladů a metody

Výsledek pokusů: technická zpráva– spolupráce s University of Bilkent, Ankara

Další rozvoj: plnohodnotný rendering


Paralelizace výpočtu hologramů

Časově náročný výpočet– HPO – minuty– Full – hodiny

Paralelizace výpočtu– dekompozice úlohy: bez komplikací– lineární urychlení

Otázka SW podpory


Publikační činnost

Články– Janda, M., Hanák, I., Skala, V.: Scanline Rendering of Digital

HPO Holograms and Hologram Numerical Reconstruction. In Proc. SCCG (2006)

– Janda, M., Hanák, I., Skala, V.: Digital HPO Rendering Pipeline. In Proc. EG (2006)

– Hanák, I., Janda, M., Skala, V.: Computer Generated Holograms of Triangular Meshes Using a Graphical Processing Unit. (To be published)

Technické zprávy– Janda, M., Hanák, I., Onural, L.: Synthesising Hologram by

Base Fringe Pattern Splatting– Janda, M., Skala, V.: STAR Digital hologram synthesis

methods– Hanák, I., Janda, Skala, V.: Digital holography STAR


Budoucí činnost

Urychlení postupu syntézy– využití koherence mezi vzorky– redukce informace– rendering velkých hologramů

Numerická rekonstrukce– HW-kompatibilní rekonstrukce– velké hologramy: perspektiva– spolupráce s VUT Brno

Nalezení možnosti fyzikálního ověření– laser + SLM (DMD/LCD/LCOS/fotografie)

Děkujeme za pozornost

Otázky?

Další témata řešená v rámci CPG

Řešitelé z CPG: Ivana Kolingerová,

Josef Kohout

Ostatní řešitelé neuvedení v CPG:

Jiří Skála, Jindřich Parus, studenti 3.-5.

ročníků ZČU


Obsah

1. Konstrukce dělení prostoru a datových struktur

pro modely v oblasti VR

2. Metody detekce kolizí a plánování pohybu v 3D

prostředí pro aplikace VR

3. Manipulace s rozsáhlými geometrickými daty


1. Konstrukce dělení prostoru a datových struktur pro modely v oblasti VR (1)Dílčí téma•VD a DT pro kulové objekty, velká, hierarch., data (3D), příp. pohyblivá data (zatím 2D)Hotovo•Identifikace průniku zájmů s MU Brno („molekuly“) a nastavení rozhraní prací ZČU-MU•Zadání 2 dipl. a sem. prací v návaznosti na MU•Start prací v září 2006 •Z dřívějška: sériové i paralel. implementace 2D a 3D DTCo dál•Ověření detailů požadavků úlohy s MU, podle nich případně úprava navrž. řešení•Implementace, testování, publikace ...


1. Konstrukce dělení prostoru a datových struktur pro modely v oblasti VR (2)Dílčí téma•Datové struktury pro rychlý pohyb terénem, rychlé modifikace, simulace eroze, příp. haptikaHotovo•Identifikace průniku zájmů s dr.B.Benešem („písek na adaptivních sítích“) •Zadání 1 dipl. a 2 bak. prací v návaznosti na BB•Start prací v září 2006 •Z dřívějška: sériové i paralel. implementace 2D DT, na straně BB řešení na pravidelné sítiCo dál•Kontrola připraveného rozhraní mezi studenty•Implementace, testování, publikace ...•Časem možná návaznost také na MU (haptika)


1. Konstrukce dělení prostoru a datových struktur pro modely v oblasti VR (3)Dílčí téma•Reprezentace povrchových modelů pomocí L-systémů•Společná práce s dr.B.BenešemHotovo•Reprezentace Bézierovy plochy včetně racionální•Generování fraktálních objektů•Obhájena 1 DP, zadána další DP, 1 publikace na SCCGCo dál•Rozšíření reprezentace na obecnější typy ploch•Využití gramatik pro záznam obecnějších vlastností objektu včetně fyzikálních


2. Metody detekce kolizí a plánování pohybu v 3D prostředí pro VR

Dílčí téma•Datové struktury pro detekce kolizí, speciální techniky, •Path planning v prostředí VR•Řešeno ve spolupráci s dr.Gavrilovou z KanadyHotovo•Obhájena 1 DP a 1 BP v oblasti kolizí a path planningu•1 publikace na CESCG, 1 nabídnutý článek na GRAPP 07•Identifikace průniku zájmů s MU Brno•Zadána 1 DP a 1 obor. projekt na pokračování v práciCo dál•Další debaty s MU o možném využití výsledků v aplikaci, podle toho modifikace pokračování•Pokračování ve spolupráci s Kanadou


3. Manipulace s rozsáhlými geometrickými daty

Dílčí téma•Velká data pro VD a DT 2D a 3D – sériové i paralelní metody•Částečné překrytí s tématem 1, částečná návaznost na předchozí výsledky v oblasti paralel. výpočtůHotovo•V paralelní oblasti: zvýšení efektivity distribuovaného řešení 2D a 3D DT•V sériové oblasti: zadáno jako téma disertace, začátek prací v říjnu 2006Co dál•Dokončení distrib. řešení – pokud možno najít studentské pracovní síly pro urychlení prací•Sériové řešení – vše před námi


Otázky?


Iso-curves in Time-varying Meshes(Slavomír Petrík)Definice problému– Uvažujíc vstupní údaje seřazená v časových

hladinách, přičemž každá je reprezentována odlišnou nestrukturovanou sítí, najdi metodu, která vypočte iso-křivku pro jakoukoliv iso-hodnotu a čas mezi vstupními hladinami.

(a) Brute-force řešení (b) Naše řešení


Lobaz – Komprese hologramů

Oblasti zájmu– alternativní odvození struktury hologramu– přesná simulace rekonstrukce hologramu– analýza šumu v hologramu– analýza vjemu obrazu a vjemu hloubky

v zašuměném hologramu– návrh bázových funkcí pro frekvenční popis

hologramu


Další aktivity

Video-konference – ”ready to use” pro semináře veřejné potřeby CPG projektu

info http://herakles.zcu.cz/seminars/ pro potřeby CPG projektu je potřebné dodatečné info o portech

Projekty odborné– MUTED EU STREPS

• konstrukce prototypu multiuživatelského stereoskopického displeje

– FlashPoM EU MATEO • grafický systém pro návrh bio-čipů

http://herakles.zcu.cz/seminars/










Otázky?

cpg - plzeň

Documents