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<!doctype html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, user-scalable=no">
<title>Displacement Mapping</title>
<link rel="stylesheet" href="css/reveal.css">
<link rel="stylesheet" href="css/theme/solarized.css">
<!-- Theme used for syntax highlighting of code -->
<link rel="stylesheet" href="lib/css/zenburn.css">
<!-- Printing and PDF exports -->
<script>
var link = document.createElement( 'link' );
link.rel = 'stylesheet';
link.type = 'text/css';
link.href = window.location.search.match( /print-pdf/gi ) ? 'css/print/pdf.css' : 'css/print/paper.css';
document.getElementsByTagName( 'head' )[0].appendChild( link );
</script>
</head>
<body>
<div class="reveal">
<div class="slides">
<!-- Introdução -->
<section id="intro">
<section data-autoslide="1" id="dummy">
<!--
Não é pra ter nada aqui, essa section só existe porque
o reveal.js não lida muito bem com vídeos no primeiro slide. LoL
-->
</section>
<section data-background-video="images/intro.ogv" data-background-video-loop="loop">
<h1 style="color:#FFF;">Displacement Mapping</h1>
<h3 style="color:#FFF;">Universidade Federal da Bahia</h3>
<p style="color:#FFF;">
<small>MATA65 - Computação Gráfica / 2017.1</small>
</p>
<p style="color:#FFF;">
<small> Adeilson Silva / <a href="https://github.com/AdeilsonSilva">@adeilsonsilva</a> &</small>
<small> Rafael Brasileiro / <a href="https://github.com/rafaelbps89">@rafaelbps89</a></small>
</p>
</section>
</section>
<!-- Aspectos Teóricos -->
<section id="teoria">
<section data-background-video="images/teoria.ogv" data-background-video-loop="loop">
<h1 style="color:black">Aspectos Teóricos</h1>
<aside class="notes">
Vamos começar apresentando um pouco da teoria por trás do DM.
</aside>
</section>
<!-- Conceito de Displacement Mapping -->
<section>
<h2>O que é displacement mapping?</h2>
<aside class="notes">
Então, afinal de contas, o que é DM?
</aside>
</section>
<section data-background-video="images/exp-dm.ogv" data-background-video-loop="loop">
<aside class="notes">
Dentre as várias formas de aplicar uma textura a um objeto,
displacement mapping se caracteriza por modificar a geometria do objeto texturizado.
</aside>
</section>
<!-- Motivação e Objetivo do artigo -->
<section>
<h2>Por que falar de displacement mapping?</h2>
</section>
<section>
<p>A motivação para o uso de displacement mapping é reproduzir uma estrutura de maneira detalhada
reduzindo o número de vértices utilizados.</p>
</section>
<section>
<p>
Szirmay‐Kalos [1] faz uma revisão sobre as principais técnicas de DM disponíveis na literatura,
comparando as técnicas utilizadas e os resultados obtidos pelos autores, apresentando o estado da
arte da época.
</p>
</section>
<!-- Teoria de Displacement Mapping -->
<section>
<h2>O que mais é preciso saber?</h2>
</section>
<section>
<img width="1056" height="368" data-src="images/intro.png" alt="introdução">
<p class="fragment grow">Macroestrutura</p>
<p class="fragment grow">Mesoestrutura</p>
<p class="fragment grow">Microestrutura</p>
<aside class="notes">
pontos perpendiculares à normal da macroestrutura;
pode ser no vertex ou no fragment shader;
as normais recalculadas são utilizadas p/ iluminação;
</aside>
</section>
<section>
<img width="1324" height="208" data-src="images/f1.png">
<p>Equação utilizada para o cálculo da mesoestrutura.</p>
<aside class="notes">
p -> ponto da macro;
r -> ponto da meso;
u, v -> coord. da textura [0, 1];
n -> normal da macro;
</aside>
</section>
<section>
<h2>Você conhece a fórmula parametrizada da sua geometria?</h2>
</section>
<section>
<img width="1324" height="150" data-src="images/f2.png">
<img width="1324" height="150" data-src="images/f2.5.png">
<img width="1324" height="150" data-src="images/f4.png">
<aside class="notes">
T aponta na direção u;
B aponta na direção v;
a malha de triângulos é uma aproximação linear da equação paramétrica da mesoestrutura;
calculando os primeiros termos da série de Taylor, temos;
</aside>
</section>
<section>
<h2>E caso você não conheça?</h2>
</section>
<section>
<img width="1324" height="150" data-src="images/f5.png">
<img width="1324" height="150" data-src="images/f6.png">
<img width="1324" height="150" data-src="images/f7.png">
<aside class="notes">
T aponta na direção u;
B aponta na direção v;
a malha de triângulos é uma aproximação linear da equação paramétrica da mesoestrutura;
calculando os primeiros termos da série de Taylor, temos;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Independente disso, a normal é dada por:</h3>
<img data-src="images/normal.png">
</section>
<section>
<h2>O mapa de altura é armazenado de forma compactada.</h2>
</section>
<section>
<img width="780" height="126" data-src="images/f3.png">
<p>Transformação dos valores do mapa de altura para o espaço de valores real.</p>
<aside class="notes">
mapa de altura é uma textura em escala de cinza;
8 bits de precisão;
range [0, 1];
</aside>
</section>
<section>
<h2>Como calcular a Iluminação?</h2>
</section>
<!-- Colocar parte teórica do cálculo da normal da mesoestrutura -->
<section>
<img width="343" height="76" data-src="images/normal0.png">
<img width="1066" height="174" data-src="images/normal1.png">
<img width="1063" height="171" data-src="images/normal2.png">
</section>
<section>
<img width="1317" height="174" data-src="images/normal3.png">
<img width="701" height="214" data-src="images/normal4.png">
</section>
<section>
<h2>Cálculo da normal da mesosestrutura:</h2>
<pre><code class="hljs" data-trim>
float2 du=float2(1/WIDTH, 0);
float2 dv=float2(0, 1/HEIGHT);
float dhdu = SCALE/(2/WIDTH) * (tex2D(hMap, uv+du).a - tex2D(hMap, uv-du).a);
float dhdv = SCALE/(2/HEIGHT) * (tex2D(hMap, uv+dv).a - tex2D(hMap, uv-dv).a);
// get model space normal vector
float3 mNormal = normalize(N+t*dhdu+b*dhdv);
</code></pre>
</section>
<section>
<p>Pode-se utilizar um mapa de normais</p>
<p class="fragment">RGB: Mapa de normais</p>
<p class="fragment">Alpha: Mapa de alturas</p>
</section>
<section>
<h2>Displacement Mapping no Vertex Shader</h2>
</section>
<section>
<img width="1040" height="486" data-src="images/per-vertex-dm.png">
<pre><code class="hljs" data-trim>
float h = tex2Dlod(hMap, uv).a * SCALE + BIAS;
float3 mPos = Position + Normal * h;
hPos = mul(float4(mPos,1), WorldViewProj);
</code></pre>
<aside class="notes">
os vértices dos triângulos são deslocados na direção da normal da macro;
os vértices deslocados recebem as normais das mesoestrutura;
acessar a textura no vertex só é possível a partir do Shader Model 3.0;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Existem problemas com essa abordagem:</h3>
<p class="fragment grow">Um objeto altamente tesselado é necessário.</p>
<p class="fragment">GPUs possuem mais poder de processamento por fragmento. (Unified Shader Architecture)</p>
<p class="fragment">GPUs antigas não permitem acessar textura no vertex shader.</p>
<p class="fragment grow">Processamento no VS x no FS</p>
<aside class="notes">
VS executa uma vez p/ cada vértice;
FS executa uma vez por pixel na tela;
VS acaba processando elementos invisíveis na tela;
</aside>
</section>
<section>
<h2>Displacement Mapping no Fragment Shader</h2>
</section>
<section>
<img width="1040" height="486" data-src="images/per-pixel-dm.png">
<aside class="notes">
Muito tarde p/ modificar a geometria;
"Ray tracing like" algorithm;
Projetar raios no mapa de altura p/ obter coordenadas do ponto visível;
</aside>
</section>
<section>
<img width="1040" height="486" data-src="images/per-pixel-dm-ray-tracing.png">
<img width="512" height="79" data-src="images/f10.png">
<aside class="notes">
Vetor V intercepta o mapa de altura em muitos pontos;
Tendo a origem do Vetor V é possível calcular todos os pontos de interseção, a partir do parametro T;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Existem problemas com essa abordagem:</h3>
<p class="fragment grow">Necessário realizar busca no mapa de altura.</p>
<p class="fragment">Múltiplas soluções para a equação anterior.</p>
<p class="fragment">Pontos do mapa de altura podem ser ignorados por não serem processados pelo FS.</p>
<p class="fragment grow">Mudança na profundidade do ponto desenhado.</p>
<aside class="notes">
O que está sendo desenhado é um ponto mais próximo da câmera, então a mudança de profundidade não gera erro
de visualização.
</aside>
</section>
<section>
<h2>Métodos não-iterativos x Métodos Iterativos</h2>
<aside class="notes">
Estão relacionados aos dois primeiros problemas do slide anterior;
Não-iterativos fazem buscas locais no mapa de textura mas podem dar resultados ruins;
Iterativos buscam globalmente na textura (vários acessos), mais precisos, pior performance;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Não-iterativos</h3>
<h5>Parallax mapping</h5>
<img data-src="images/parallax.png">
<p><small>Kaneko T. <i>et. al.</i>, "Detailed shape representation with parallax mapping.", ICAT 2001</small></p>
<aside class="notes">
Assume altura constante na vizinhaça de u,v;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Não-iterativos</h3>
<h3>Bump mapping x Parallax mapping</h3>
<img height="400" data-src="images/bumpxparallax.png">
<aside class="notes">
No artigo o autor considera bump um DM extremamente simplificado;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Não-iterativos</h3>
<h5>Parallax mapping taking into account the slope</h5>
<img data-src="images/parallax1.png">
<p><small>McGuire M. <i>et. al.</i>, "Steep parallax mapping.", I3D Poster 2005</small></p>
<aside class="notes">
Assume altura variando com o mapa de normais em u,v;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Não-iterativos</h3>
<h5>Parallax mapping taking into account the slope</h5>
<pre><code class="hljs" data-trim>
View = normalize(View);
float4 Normal = tex2D(hMap, uv);
float h = Normal.a * SCALE + BIAS;
uv += h * Normal.z * View.xy;
</code></pre>
<img data-src="images/parallaxfig1.png">
<aside class="notes">
Tão simples quanto o original, mas com resultados muito melhores.
</aside>
</section>
<section>
<h2>Métodos Iterativos</h2>
<h3>Seguros x Inseguros</h3>
<aside class="notes">
Unsafe obtem a interseção, não necessariamente a mais próxima (melhor performance);
Safe obtém o "primeiro" ponto (mais preciso), mesmo que hajam várias interseções;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>Inseguros - Binary Search</h5>
<img height="400" data-src="images/binary.png">
<p><small>Policarpo F., <i>et. al.</i>, "Real-time relief mapping on arbitrary polygonal surfaces.", SIGGRAPH 2005</small></p>
<aside class="notes">
Busca binária no vetor V pelo ponto de maior altura;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>Inseguros - Binary Search</h5>
<img height="400" data-src="images/binary-results.png">
<aside class="notes">
"The binary search procedure quickly converges to an intersection but may not
result in the first intersection that has the maximum height value";
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>"Quasi-safe" - Linear Search</h5>
<img height="400" data-src="images/linear.png">
<p><small>Levoy M., <i>et. al.</i>, "Efficient ray tracing of volume data.", ACM TOG 1990</small></p>
<aside class="notes">
"quasi-safe" pq depende do tamanho do passo dado;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>"Quasi-safe" - Linear Search</h5>
<img height="400" data-src="images/linear-results.png">
<aside class="notes">
A robustez depende do passo, mais passos = maior precisão = maior custo;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>Seguros - Sphere Tracing</h5>
<img width="1003" height="435" data-src="images/st.png">
<p><small>Donelly W., "Per pixel displacement mapping with distance functions.", GPU Gems 2005</small></p>
<aside class="notes">
Utiliza um mapa de distâncias;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Iterativos</h3>
<h5>Seguros - Sphere Tracing</h5>
<img width="855" height="518" data-src="images/stf.png">
<aside class="notes">
Utiliza um mapa de distâncias;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Métodos Combinados</h3>
<h5>Relief Mapping</h5>
<img height="400" data-src="images/relief-results.png">
<p><small>Policarpo F., <i>et. al.</i>, "Real-time relief mapping on arbitrary polygonal surfaces.", SIGGRAPH 2005</small></p>
<aside class="notes">
Primeiro faz o linear, encontra dois pontos e faz o binary;
</aside>
</section>
<section>
<h3>Self-shadowing Computation</h3>
<img width="547" height="446" data-src="images/self.png">
<aside class="notes">
Chamando o algoritmo iterativo com o Vetor da luz
(apontando do ponto que será shader até a fonte de luz)
ao invés de o vetor View
</aside>
</section>
<section>
<h3>Conclusões</h3>
<p class="fragment">VS silhuetas automaticamente.</p>
<p class="fragment">FS são aproximações.</p>
</section>
</section>
<!-- Aspectos Práticos -->
<section id="pratica">
<section data-background-video="images/pratica.ogv" data-background-video-loop="loop">
<h1>Aspectos Práticos</h1>
</section>
<section>
<h2>Como utilizar displacement mapping no Three.js?</h2>
</section>
<!-- <section data-background="images/envmap.png" data-background-repeat="repeat" data-background-size="250px"> -->
<section>
<h2>Carregando texturas (Mapa de ambiente)</h2>
<pre><code class="hljs" data-trim contenteditable>
// env map
var path = "textures/cube/SwedishRoyalCastle/";
var format = '.jpg';
var urls = [
path + 'px' + format, path + 'nx' + format,
path + 'py' + format, path + 'ny' + format,
path + 'pz' + format, path + 'nz' + format
];
var reflectionCube = new THREE.CubeTextureLoader().load( urls );
</code></pre>
</section>
<!-- <section data-background="images/texturas.png" data-background-repeat="repeat" data-background-size="400px"> -->
<section>
<h2>Carregando texturas</h2>
<pre><code class="hljs" data-trim contenteditable>
// textures
var textureLoader = new THREE.TextureLoader();
var normalMap = textureLoader.load("models/obj/ninja/normal.jpg");
var aoMap = textureLoader.load("models/obj/ninja/ao.jpg");
var displacementMap = textureLoader.load("models/obj/ninja/displacement.jpg");
</code></pre>
</section>
<section>
<h2>Inicializando materiais</h2>
<pre><code class="hljs" data-trim contenteditable>
// material
material = new THREE.MeshStandardMaterial( {
color: 0x888888,
roughness: settings.roughness,
metalness: settings.metalness,
normalMap: normalMap,
normalScale: new THREE.Vector2( 1, - 1 ), // why does the normal map require negation in this case?
aoMap: aoMap,
aoMapIntensity: 1,
displacementMap: displacementMap,
displacementScale: settings.displacementScale,
displacementBias: - 0.428408, // from original model
envMap: reflectionCube,
envMapIntensity: settings.envMapIntensity,
side: THREE.DoubleSide
} );
</code></pre>
</section>
<section>
<h2>Carregando objeto com a geometria</h2>
<pre><code class="hljs" data-trim contenteditable>
// geometry
var loader = new THREE.OBJLoader();
loader.load(
"models/obj/ninja/ninjaHead_Low.obj",
function ( group ) {
var geometry = group.children[ 0 ].geometry;
geometry.attributes.uv2 = geometry.attributes.uv;
geometry.center();
mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
mesh.scale.multiplyScalar( 25 );
scene.add( mesh );
}
);
</code></pre>
</section>
</section>
<!-- Referências -->
<section>
<h1>Referências</h1>
<ol>
<li>
<a href="https://pdfs.semanticscholar.org/4ec1/914e7d2319be9bc6da58dd57e5aa16be6c9c.pdf">
Szirmay‐Kalos, L., & Umenhoffer, T. (2008, September). Displacement Mapping on the GPU
</a>
</li>
<li>
<a href="https://threejs.org/examples/webgl_materials_displacementmap.html">
three.js - (normal + ao + displacement + environment) map demo
</a>
</li>
</ol>
</section>
</div>
</div>
<script src="lib/js/head.min.js"></script>
<script src="js/reveal.js"></script>
<script>
// More info about config & dependencies:
// - https://github.com/hakimel/reveal.js#configuration
// - https://github.com/hakimel/reveal.js#dependencies
Reveal.initialize({
// Display controls in the bottom right corner
controls: true,
// Display a presentation progress bar
progress: true,
// Set default timing of 2 minutes per slide
defaultTiming: 120,
// Display the page number of the current slide
slideNumber: false,
center: true,
dependencies: [
{ src: 'lib/js/classList.js', condition: function() { return !document.body.classList; } },
{ src: 'plugin/markdown/marked.js' },
{ src: 'plugin/markdown/markdown.js' },
{ src: 'plugin/highlight/highlight.js', async: true, callback: function() { hljs.initHighlightingOnLoad(); } },
{ src: 'plugin/zoom-js/zoom.js', async: true },
{ src: 'plugin/notes/notes.js', async: true }
]
});
</script>
</body>
</html>