Projet
Le
ray tracer ... e la
rencontre de l'informatique, des mathematiques et de la physique
Auteur : Simon Vezina
(svezina@cmaisonneuve.qc.ca)
Departement de physique
College de Maisonneuve
|
Description du
sujet
Le ray tracer est un
programme informatique qui fut initialement developpe par Arthur Appel
en 1968 et largement ameliore dans les annees 80 qui consiste e generer
une image 2D e partir d'une description d'un environnement 3D par
l'analyse du parcours d'un rayon de lumiere initialement lance depuis la
position d'une camera et voyagement dans la scene e visualiser. En
laneant un ou plusieurs rayon dans chacun des pixels d'une grille situee
devant la camera, l'intersection de ces rayons avec les geometries de la
scene permettre d'evaluer la visibilite de celles-ci par rapport e la
camera et leur position par rapport au differentes sources de lumiere
permet d'en determiner leur couleur ce qui determiner la couleur des
pixels de la grille. L'image formee sur la grille devient la
visualisation 2D de la scene.
De nos jours, l'algorithme du
ray tracer est utilise dans plusieurs logiciels d'animation 3D
afin d'y produire des films d'animations ou des effets speciaux au
cinema. En raison de l'augmentation de la puissance de calcul des
ordinateurs grece aux systemes multiprocesseurs, des chercheurs pensent
etre un jour capable d'integrer cette technologie aux jeux video en
temps reel.
Dans le cadre de ce projet,
l'application SIMRenderer a ete developpee dans le
langage JAVA. Elle correspond e une implementation simplifiee d'un
ray tracer. Cette application e caractere pedagogique a ete
coneue pour supporter les fonctionnalites suivantes d'un
ray tracer
:
Documentation :
e
Documentation interne disponible en format
javadoc
(en franeais uniquement).
e
Une javadoc en format HTML est disponible en ligne
ici.
e
Integration de JUnit Test permettant d'analyser la qualite des
algorithmes implementes.
Chargement de l'application :
e
Configuration de l'application e l'aide d'un fichier
configuration.cfg
.
e
Chargement de scene par lecture de fichier
de format txt .
e
ecriture d'un fichier log.txt apres l'execution du programme
pour decrire l'etat de l'execution du programme.
e
Affichage de message d'erreur lors d'une mauvaise definition d'un
fichier de scene avec numero de ligne et suggestion pour corriger
l'erreur.
Geometrie :
e
Intersection de geometrie de base (plan, triangle, disque, sphere,
tube, cylindre, cene).
e
Intersection de geometrie avancee (coquille spherique,
tore, lentille).
e
Transformation des geometries dans l'espace (translation,
scale, rotation) par calcul matriciel de
format 4e4.
e
Chargement de modele 3D (obj
Wavefront)
Illumination :
e
Modele d'illumination direct par reflexion ambiante, diffuse et speculaire.
e Source
d'eclairage multiple avec facteur d'attenuation
(ambiante,
directionnelle, ponctuelle).
e Source
d'eclairage composee d'oscillateurs pouvant generer des ondes afin de
reproduire des patrons d'interference et de diffraction (ouverture
rectangulaire, ouverture circulaire, ouverture obstruee par une texture).
e Calcul
d'ombrage par rayon d'ombre (shadow ray).
e Modele
d'illumination indirecte par reflexion et refraction avec niveaux de
recursivite variables.
Texture :
e
Chargement de texture de couleur (gif, png, jpg, tga, dds (en
developpement))
e
Application de texture de couleur (texture mapping) sur des geometries (triangle, sphere).
Amelioration/optimisation :
e
Solution d'anticrenelage par lance de rayons multiples (supersampling).
e
Infrastructure supportant le multiprocesseur (multithreading).
e
Partitionnement de l'espace (lineaire, voxel, multi-voxels).
Pour avoir acces e l'ensemble
des fonctionnalites de l'application
SIMRenderer, la realisation de ce projet sera necessaire.
Il est possible d'obtenir l'application dans son integralite sous certaines conditions
(contactez
svezina@cmaisonneuve.qc.ca pour
plus de detail).
|
https://en.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing_(graphics)
Le ray tracer
permet de realiser la projection d'un
univers virtuel e 3D sur un plan e 2D afin de genere une image.
http://leaks.wanari.com/2017/05/31/ray-tracing-akka-part-1/
Le ray tracer
lance des rayon recursif afin
d'evaluer la couleur appropriee e affecter e chacun des pixels d'une
image.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing_(graphics)
La qualite d'un
ray tracer depend de son aptitude e
bien simuler le comportement physique de la lumiere.
|
La galerie du
projet
Vous pouvez visualiser quelques
realisations de l'application SIMRenderer
au lien suivant :
http://profs.cmaisonneuve.qc.ca/svezina/projet/ray_tracer/galerie.html
Description du
projet
Le projet consiste e faire des liens
entre l'informatique, les mathematiques et de la physique par l'etude de
differentes fonctionnalites d'un algorithme de
ray tracing. En d'autres
mots, un ray tracer est un programme hautement multidisciplinaire oe
les contributions de plusieurs competences sont necessaires au bon
fonctionnement du programme. Voici une liste abregee de quelques contributions
disciplinaires :
| Informatique |
Physique |
Mathematique |
e
Le ray tracer
comporte plusieurs elements (camera, ecran de vue, pyramide de vue,
geometrie, materiel, source de lumiere, etc) dont l'integration doit
etre realisee dans une bonne architecture.
e L'etude des
structures des donnees
permet de partitionner les geometries d`une scene afin de reduire le
nombre de calculs d'intersection entre les rayons lances et les
geometries ce qui permet de generer plus rapidement les images.
e Le
ray tracer permet de lancer de
faeon recursive des rayons afin d'y genere des effets
visuels plus complexes.
e Le
ray tracer peut etre acceleree
e l'aide d'une strategie de parallelisme
(multithreading) ce qui rend la programmation et la gestion de la
memoire plus complexe. |
e En appliquant des lois
de l'optique geometrique, on peut simuler des effets
visuelles comme la reflexion et la refraction.
e En appliquant des lois de
l'optique ondulatoire, on peut simuler des effets visuelles
comme l'interference et la diffraction.
e En analysant le comportement de la
lumiere-matiere, on peut determiner la couleur d'un objet par le
developpement d'un algorithme d'illumination. |
e En appliquant du
calcul vectoriel, on peut realiser le calcul de
l'intersection entre un rayon et plusieurs formes geometriques (plan,
triangle, sphere, cylindre, cene, etc).
e En appliquant du
calcul matriciel,
on peut deformer et visualiser des modeles 3D complexes de haute
qualite.
e En appliquant du
calcul
statistique, on peut reduire le temps de calcul d'une scene en
partitionnant judicieusement un ensemble de geometries par une analyse
de leur taille et leur forme. |
Ainsi, le projet
consistera e
(1)
se documenter sur le sujet du ray tracer
par
des lectures
de notes de cours,
(2)
cheminer dans un laboratoire informatique
oe des directives sont disponibles pour etre orienter dans l'implementation des
differentes fonctionnalites manquantes d'un programme de
ray tracing
deje existant (SIMRenderer) mais partiellement fonctionnel,
(3) visualiser des
scenes deje construites afin de verifier la qualite des implementations,
(4) repondre e des
questions theoriques afin de realiser les avantages et les defaillances d'un
algorithme de visualisation 3D comme le ray tracing.
Completer le laboratoire redonnera
la grande majorite des fonctionnalites au programme
SIMRenderer.
Conference en lien
avec le projet
Voici quelques conferences qui ont
ete realisees dans le cadre de la mise en euvre de ce projet. Les contenus des
presentations sont disponibles e l'aide des
liens suivants :
Documentation du
projet
Pour realiser ce projet, il est
important de se documenter sur le sujet du ray tracer. e partir des
notes de cours disponible ici-bas, une lecture permettra de s'initier e plusieurs
caracteristiques du ray tracer ainsi qu'aux differents calculs realises
lors de l'execution du programme.
Reference :
Note de cours en lien avec la realisation du projet (Le
ray tracer ...
e la rencontre de l'informatique, des mathematique et de la physique).
Note de cours redigee par Simon Vezina, College de Maisonneuve
Reference :
Note de cours en lien avec le cours de physique 203 - NYC : Ondes et physique
moderne
Note de cours redigee par Simon Vezina, College de Maisonneuve
Articles scientifiques
Voici quelques articles scientifiques qui ont ete consultes pour
l'elaboration de ce projet.
-
A_Fast_Voxel_Traversal_Algorythm_For_Ray_Tracing.pdf
Realisation du projet
: Le ray tracer
version : 2.2.0.2
La realisation de ce projet se fera
lors d'une activite de laboratoire. Pour ce faire, il faudra realiser
l'installation d'une plateforme de developpement JAVA, telecharger le code
source en lien avec le laboratoire.
Initialement, le programme ne fait
que generer des images noire. Tout au long de ce laboratoire separe en trois
parties, le programmeur est
invite e suivre des directives proposees dans des protocoles de laboratoire et de remplir
des feuilles de donnees
electroniques au fur et e mesure que les etapes sont
completees. Des images illustrant l'evolution et l'amelioration du programme
seront generes afin de permettre au developpeur de verifier la qualite de sa
programmation.
Installation de la plateforme de
developpement JAVA
Voici les liens vous permettant de telecharger l'environnement de
developpement JAVA :
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 1
La 1re partie du laboratoire consiste e
introduire
le developpeur au programme de
ray tracer
dont plusieurs fonctionnalites sont manquantes. Le developpeur pourra
implementer quelques fonctions de base necessaire au fonctionnement d'un
ray tracer comme l'evaluation des racines reelles d'un polyneme et
d'utiliser ce calcul pour evaluer l'intersection entre un rayon et un
plan. Des images contenant des plans, des cubes ainsi que des disques
pourront etre visualisees. Afin de se preparer e cette 1re
partie, il sera preferable de completer le prelaboratoire suggere.
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 2
La 2e partie du laboratoire consiste e introduire le
developpeur au algorithme d'illumination. En
implementant des modeles d'illumination comme la reflexion ambiante,
diffuse et speculaire, le developpeur pourra visualiser des images avec
des couleurs influencees par une ou deux sources de lumiere. Un modele
simple d'illumination indirecte comme la reflexion et la refraction sera
implemente pourra ajouter des effets visuels supplementaires. Avec des
calculs d'intersection entre des rayons et des nouvelles geometries
comme la sphere et le tube, le developpeur pourra visualiser des scenes
plus diversifiees. Entre autre, un modele 3d de type AGP pourra etre
visualise. Afin de se preparer e cette 2e partie, il sera
preferable de completer le prelaboratoire suggere.
Laboratoire : Le ray tracer - Partie 3
La 3e partie du laboratoire consiste e introduire le
developpeur aux matrices de transformation. Le
developpeur devra implementer des algorithmes d'intersection
entre des rayons et des triangles, visualiser ces triangles regroupes dans des modeles
3d et transformer ceux-ci e l'aide de matrice de transformation.
Finalement, un algorithme d'intersection d'un rayon avec une geometrie dans son espace objet devra etre integre au programme. Aucun prelaboratoire n'est suggere pour debuter cette 3e partie
de laboratoire.
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Derniere mise e jour
: 2025-02-10
