VL 07: Computergrafik (fertig)

Wie funktioniert Bilderzeugung in der 3D Computergrafik?

verschiedene Teilprozesse:

• Modellierung von 3D-Objekten

• Aufbau eines Gesamtmodells (Geometrie + Licht + Kamera) − Clipping = Entfernen nicht benötigter oder unsichtbarer Elemente (Rückseiten, Verdeckungen, Objekte außerhalb des Sichtkörpers)

• Projektion (3D-Szene auf 2D Bildschirm)

• Beleuchtungsberechnung

• Rasterisierung (projizierten 2D-Daten in Pixel auf Bildschirm umgewandelt, 2D → Pixel)

Was sind die zwei Haupttypen von Projektion?

• Perspektivische Projektion

  • Wie beim menschlichen Sehen: Dinge, die weiter entfernt sind, erscheinen kleiner.

  • Realistischer Eindruck von Tiefe.

  • Wird z. B. in Spielen und 3D-Filmen verwendet.

• Orthogonale (parallel) Projektion

  • Keine Perspektive, parallele Linien bleiben parallel.

  • Größe bleibt gleich, unabhängig von Entfernung.

  • Wird oft für technische Zeichnungen oder CAD verwendet.

Was sind Komponenten von Rendering?

Geometrie + Texturen + Licht + Kamera = Bild

Was ist die Rendering Pipeline?

Modell → Transformation (Skalierung, Rotation, Scherung) → Beleuchtung → Projektion → Clipping → Rasterisierung (siehe Folie 12)

Was gehört zur Transformation?

Translation, Skalierung, Rotation, Scherung

Was sind Eigenschaften der Beleuchtung?

• Beleuchtungsberechnung an den Vertices (global/lokal)

  • Interpolation der Werte über die Fläche je nach Shading-Modell, hier lokal:

  • Flat‐Shading: Keine Interpolation, Flächennormale

  • Gouraud-Shading: Farbinterpolation, Vertex‐Normale

  • Phong-Shading: Vektor-Interpolation, Vertex-‐Normale

Was heißt lokal und global?

• Global: Berücksichtigung globaler Effekte wie Schatten, Spiegelungen etc.

• Lokal: Nur direkte Beleuchtung vom Licht auf Oberfläche – einfacher und schneller.

Was passiert bei Projektion?

Projektion der Kamerakoordinaten auf die Bildschirmkoordinaten

Was passiert beim Clipping?

Clipping aller Polygone außerhalb des Viewports

Was ist Scan Conversion?

Prozess, bei dem geometrische Objekte in Pixel auf dem Bildschirm umgewandelt werden

Was passiert bei der Raserisierung?

• Scan Conversion

• Shading durch Beleuchtungs auswertung und Texturierung

• Anti-Aliasing

Was ist polygonale Modellpräsentation?

• Hülle von zusammenhängenden Dreiecksnetzen (Meshes)

• Polygonanzahl wichtig für Darstellungsqualität

• Standard in der Computergrafik

Was ist Constructive Solid Geometry?

Boolesche Verknüpfung geometrischer Primitive

• Würfel, Zylinder, Torus, Pyramide, …

• Vereinigung, Subtraktion, Schnittmengenoperation

• CSG-Baum

Was ist ein Voxel?

• Zusammensetzung aus Pixel und Volume: Gitterpunkt in einem 3D-Gitter

• entspricht Pixel in 2D-Bild

• Position nicht gespeichert, implizit aus anderen Voxeln hergeleitet

• bei Punkten oder Polygonen, Positionen der Eckpunkte gespeichert

• Medizin oder Landschaften

Was sind 3D-Scans?

• 3D Entfernungsmessung → Laufzeitmessung

• Ergebnis: Punktwolke → später Flächen durch Triangulierung

• normalerweise: optisches Verfahren

  → Vorteil: Genauigkeit/Geschwindigkeit

  → Nachteil: ungünstige Lichtverhältnisse

Was ist point based surfaces?

Technologie zur Beschreibung von Kurven und Oberflächen durch „lose“ Punktwolken

Was sind polygonale Modelle?

Punkte (Vertices) beschreiben genaue Eckpunkte eines/mehrerer Polygone. → durch surface reconstruction

Was sind Vorteile von Point Based Surfaces?

• Effiziente Verarbeitung durch nicht zusammenhängende Punkte

• Löschen, Hinzufügen, Transformieren

• Leichtere Handhabung des Level of Detail

• Direkte Verarbeitung von 3D-Scans ohne Wandel in Polygonmodell

• Verarbeitung der Punktwolken bis zum Rendervorgang

Was sind Nachteile von Point Based Surfaces?

• Echtzeitfähigkeit eingeschränkt

• Sehr große Datenmengen möglich

• Keine direkte Unterstützung durch aktuelle Grafikhardware

Warum nutzt man Texturen?

Texturen erhöhen visuelle Attraktivität und Detailliertheit, ohne die Geometrie zu verändern

Was ist Texture Mapping?

Zuordnung der 2D Bildkoordinaten auf ein Polygon in 3D

Wie funktioniert Texture Mapping?

• Gegeben: 2D Bild und ein 3D Objekt

• Das 2D Bild wird „Texture Map“ genannt

• Die Pixel der Texture Map heißen Texels − Jede 2D Texture Map hat ein eigenes 2D Koordinatensystem (u,v)

• Jede 3D Oberfläche liegt in einem 3D Koordinatensystem (x,y,z)

• Das Mapping ist die Abbildung der Texture Map Koordinaten auf die Surface-Koordinaten (u,v) ➔ (x,y,z)

Was kann ein Problem von Texture Mapping darstellen?

• Wie kleine Textur mehrfach auf Polygon verteilen?

  → UV-Koordinaten >1 und <0 führen zu Randwiederholung, Spiegelung, Kachelung (einstellbar)

• Komplexere Körper und Figuren - Wrapping Algorithmen → Aufwändiges abwickeln und texturieren → UVW Unwrap

Was gibt es für Mapping-Techniken?

Bump Mapping, Displacement Mapping, Environment Mapping, Transparency Mapping, Parallax Mapping, …

Was ist Colormaps?

• für verschiedene Lichtanteile (Ambient = Umgebungslicht, Diffuse = streuendes Licht, Specular = Farb-/Glanzlicht) können Farben definiert werden

• Farbvergabe durch Farbtextur überschreibbar

Was ist Perlin Noise?

• spezielle Textur aus Grauwert-Verläufen

• kontrollierte Störungen, sodass es realistischer aussieht

  • Bsp. Feuer, Wasser, Wolken

Was machen opacity und transparency?

opacity: opake Anteile einer Oberfläche

transparency: lichtdurchlässige Anteile einer Oberfläche

Was ist Bumpmapping?

• effiziente Darstellung rauer Oberflächenstrukturen ohne 3D-Modell zu verändern

Wie funktioniert Bumpmapping?

1. Berechnung der geometrischen Flächennormale

2. Berechnung der zweiten Flächennormale aufgrund der Höheninformation

3. Verrechnung der beiden Normalen (beiden Normale werden verrechnet)

4. Helligkeitsberechnung durch Shadingverfahren

Was heißt Berechnung der geometrischen Flächennormale?

• Beleuchtung hängt von Oberflächennormale (Vektor) ab

→ Bumpmapping verändert diese = Licht wird anders reflektiert

Was heißt Berechnung der zweiten Flächennormale aufgrund der Höheninformation?

Höheninformationen aus einer Bump-Map → kleine Unebenheiten auf der Oberfläche → Berechnung zusätzlicher Normalen

Was ist der Unterschied zwischen Bump-Mapping und Displace-Mapping?

Displace-Mapping: tatsächliche Geometriveränderung/Tesselierung

Was ist Parallax-Mapping?

• erzeugt Illusion eines Parallaxeffektes

→ Verschiebung von Texturkoordinaten in Abhängigkeit von

• Betrachtungswinkel

• Höhe (Height-Map) des Objektes

Was ist Environment Mapping?

• Raum wird ohne Spiegeleffekt gerendert und Raum wird dann auf das Objektoberfläche gemappt

Was ist Texture Baking?

• Texturen auf Objekte aufbringen und gewünschte Effekte anwenden (Lichtstimmung, Bumpmapping, …)

• Fertige Textur rendern

• Erneut als Colormap auf Textur anwenden

Was macht Lightmaps?

Lightmaps sind spezielle Texturen, die die Beleuchtung und Schatten einer 3D-Szene vorab speichern.

Was ist Mip Mapping?

• ganze Reihe von Bildern, die immer kleiner werden

• Kantenlänge halbiert sich

• wenn Objekt weit entfernt ist: Nutzung von kleinerer Textur, spart Rechenleistung

• benötigt mehr Speicher, weil mehrere Versionen der Textur gespeichert werden

• Performance und Qualität besser

Was sind Filtermethoden beim Mip Mapping?

• Nearest Neighbour/Point Sampling

• Bilineare Filterung

• Trilineare Filterung

• Anisotropisches Filtering

Was ist Nearest Neighbour Interpolation?

kopiert einfach den Wert des nächstgelegenen Pixels, um neue Bildkanten zu füllen → schnell, oft mit sichtbaren Kanten

Was ist bilineare Filterung?

Farbdurchschnitt für neuen Pixel anhand der vier dem Pixelzentrum nächsten gelegenen Texeln interpoliert berechnet

Was ist Trilineare Filterung?

• zuerst bilineare Interpolation zwischen zwei benachbarten

• danach: zwischen den beiden Ergebnissen der bilinearen Filterung linear interpoliert

Was ist anisotropisches Filtering?

Filtermechanismus, der auch bei variierendem Betrachtungswinkel (typ. 3D Szene) korrekte Ergebnisse liefert

Was sind Komponenten eines Renderings?

Geometrie + Texturen + Licht + Kamera = Bild

Ziel: möglichst realistisch Wechselwirkung zwischen Licht und Oberflächen beschreiben

Was ist die Rolle von Lichtquellen?

• Vermittlung (realistischer) Stimmungen

• räumliche Darstellung / Lichtfarben

• ohne (Default-)Licht ist auch eine 3D-Szene dunkel!

Welche Arten von Lichtquellen gibt es?

• Umgebungslicht (Ambient Light)

• Punktlicht (Omni Light)

• Gerichtetes Licht (Directional Light)

• Spotlight

Was ist Umgebungslicht (Ambient Light)?

• vorhanden, auch wenn keine Lichtquelle definiert sind

• durchschnittliche Helligkeit einer Szene

• Bsp.: Tageslichtreflexionen

Was ist Umgebungslicht (Omni Light)?

• punktförmige Lichtquellen senden Lichtstrahlen in alle Richtungen

• Grundstimmung einer Szene

• Bsp.: Lampe

Was ist gerichtetes Licht (Directional Light)?

• Licht strahlt in bestimmte Richtungen

• Strahlenintensität gleichmäßig

• Bsp.: Sonne

Was ist Spotlight?

• definierter Lichtkegel

• Akzentsetzung in einer Szene

• Bsp.: Gerichteter Strahler

Welche Lichtanteile gibt es?

• Ambient: Generelles Licht

• Diffus: Diffuse Lichtreflexion in alle Richtungen

• Spekular: Glanz- oder Spitzlichter

Was sind lokale Beleuchtungsmodelle?

• simulieren Verhalten von Licht auf Oberflächen

• Helligkeit/Farbe eines Oberflächenpunkts berechnet durch Blickrichtung, Lichteinfallswinkel, Materialeigenschaften des Objektes und Lichtquellen

Was sind die bekanntesten lokale Beleuchtungsmodelle?

• Lambert-Beleuchtungsmodell (1760)

• Phong-Beleuchtungsmodell (1975)

Was machen globale Beleuchtungsmodelle?

• betrachten gesamte Szene zur Bestimmung der Lichtwirkung an einem Punkt

• aufwendige Berechnungen

Was sind die zwei Hauptverfahren der globalen Beleuchtungsmodelle?

• Raytracing

• Radiosity

Was ist Raytracing?

• simuliert komplexe Lichtinteraktion in einer 3D-Szene

→ Licht mehrfach reflektiert, gebrochen oder gestreut

• verfolgt jeden Lichtstrahl von jeder Lichtquelle und dessen Reflexion auf allen Oberfläche

→ Statt von der Lichtquelle aus zu rechnen, wird „rückwärts“ vom Auge (Kamera) durch jeden Pixel ein Strahl in die Szene geschickt.

Wie funktioniert Raytracing in der Praxis?

1. Für jeden Bildpixel wird ein Strahl vom Betrachter in die Szene gesendet.

2. Der Strahl trifft auf ein Objekt, und es werden Lichtberechnungen durchgeführt.

3. Es wird geprüft, ob und wie das Licht von Lichtquellen kommt, auch über Reflexionen und Brechungen.

4. Die Farbe und Helligkeit des Pixels werden so berechnet, dass realistische Licht- und Schatteneffekte entstehen.

Was sind Eigenschaften von Raytracing?

Vorteile:

• sehr realistische Bilder mit echten Schatten, Reflexionen, Brechungen.

• Simuliert auch indirektes Licht

Nachteile:

• Sehr rechenintensiv, vor allem bei komplexen Szenen.

• Nicht immer in Echtzeit möglich

Was ist Radiosity?

• Berechnung diffuser Licht-Reflexionen in einer 3D-Szene

  • Annahme: alle Oberflächen sind ideal diffuse Reflektoren, d.h. Licht wird in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt

  • Energieerhaltungssatz: alles Licht, das eine Fläche empfängt und nicht absorbiert, muss sie wieder reflektieren

Vergleich Radiosity und Raytracing