3D Verfahren

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3D-Verfahren

Autor: Christian Kehl

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Gliederung

• Rasterisierung und Polygongrafik• Voxelgrafik• Raytracing• Weitere 3D-Darstellungsverfahren

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Rasterisierung und Polygongrafik

• Allgemeine Grafikpipeline• Shader• DirectX

– Erklärung Grafikschnittstelle– Programmierung– Entwicklung

• OpenGL– Erklärung Grafikschnittstelle– Programmierung– Entwicklung– Beispiele

• Vergleich OpenGL-DirectX

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Allgemeine Grafikpipeline

• Konsekutiver Aufbau

• Geometrie

• Rasterung

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Rasterisierung und Polygongrafik

• Allgemeine Grafikpipeline• Shader• DirectX

– Erklärung Grafikschnittstelle– Programmierung– Entwicklung

• OpenGL– Erklärung Grafikschnittstelle– Programmierung– Entwicklung– Beispiele

• Vergleich OpenGL-DirectX

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Shader

Definition:

Shader sind Assembler Programme die direkt im Grafikprozessor der Grafikkarte ausgeführt werden. Unter bestimmten Umständen können diese aber auch per Software emuliert werden, was aber sehr langsam ist und vermieden werden sollte.

[http://www.online-tutorials.net/directx/vertex-shader-pixel-shader-untersttzung-in-directx-9/tutorials-t-7-2.html]

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Shader

• Vertex-Shader -> Vertex-Operationen

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Shader

• Pixel-Shader -> Per-Pixel-Operationen

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Shader

• Geometry-Shader -> Verformung von Vertex- und Pixelinformationen

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Rasterisierung und Polygongrafik

• Allgemeine Grafikpipeline• Shader• DirectX

– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung

• OpenGL– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung– Beispiele

• Vergleich OpenGL-DirectX

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DirectX

• Standardschnittstelle für Windows Games

Schnittstellenskizze

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Erklärung der Schnittstelle

• DirectX Komplettpaket für Multimedia-Anwendungen

• Direct3D unterteilt in Immidiate Mode (Grafikprogrammierung) und Retained Mode (Interface und 2D)

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Programmierung

Initialisierung

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Programmierung

Render-Funktion

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Programmierung

Message-Handling

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Programmierung

Main-Funktion

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Entwicklung

• Bisheriger Standard ist DirectX 9.0c (letzte Version Windows XP)

• DirectX 10.0:– Erweiterte Funktionalität der Shader– Neue Architektur

• Neueste Version: DirectX 10.1• Geplantes Update auf Version 11 mit Windows 7

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Rasterisierung und Polygongrafik

• Allgemeine Grafikpipeline• Shader• DirectX

– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung

• OpenGL– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung– Beispiele

• Vergleich OpenGL-DirectX

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OpenGL

• Schnittstelle für jede Art von Polygongrafik (Industrie, CAD, Medizin, Spiele)

Schnittstellenskizzen

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Erklärung der Schnittstelle

• Betriebssystemunabhängig• Besteht aus verschiedenen Komponenten

• Renderpipeline (Version 2.1)

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Programmierung

• OpenGL ist StateMachine• Wechsel des Programmierstils bedingt durch

Einzelkomponenten

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Entwicklung

• Bis August 2008 aktuellste Version: 2.1• Wechsel der Architektur mit Version 3.0 (August 2008)• Version 3.1 geplant für 2009• Entwicklung langsamer als bei DirectX, da Änderungen der

Architektur nicht Kompatibel mit alten Versionen• Computergrafik in Industrie und Wissenschaft jedoch

nachhaltiger als Spiele

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Beispiele

• Vertex Array Objects & Displacement Mapping

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Beispiele

• 32-Bit Floating Point Precision (High Definition Range-Rendering)

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Rasterisierung und Polygongrafik

• Allgemeine Grafikpipeline• Shader• DirectX

– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung

• OpenGL– Erklärung Schnittstelle– Programmierung– Entwicklung– Beispiele

• Vergleich OpenGL-DirectX

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Vergleich OpenGL - DirectX

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Voxelgrafik

• Definition• Wirkprinzip

– Marching Cubes– Octrees– Approximation durch Diskretisierung

• Beispiele

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Definition

• Voxel = Volume Pixel = „Pixel, der ein Volumen besitzt“ räumliches Gebilde

• jedes Objekt ist aus Voxeln aufgebaut, wie Bilder aus Pixeln aufgebaut sind (Prinzip der atomaren Einheit)

• Zerlegung der gesamten Szenerie in diese atomaren Einheiten

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Voxelgrafik

• Definition• Wirkprinzip

– Marching Cubes– Octrees– Approximation durch Diskretisierung

• Beispiele

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Wirkprinzip

• Aufbau der Szenerie aus einer Menge von Voxel-Objekten• Detailierte Oberflächenstruktur und einfache

Kollisionserkennung als Vorteil von Voxeln• Da Rechenintensives Verfahren Notwendigkeit von

verbesserten Darstellungsalgorithmen

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Marching Cubes

• Schnittflächenberechnung• Wenn Großteil des Voxels innerhalb des geteilten Volumens,

dann Darstellung (Schwellwert nötig)• Transformation in Polygongrafik; automatische

Normalvektor-Berechnung

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Octrees

• Aufteilung eines Voxelobjekts in jeweils 8 Teilobjekte bis Voxelgröße

• Streng rekursiver Algorithmus

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Approximation durch Diskretisierung

• Verbesserung Marching Cubes• Schnittflächenberechnung nur noch an markanten Punkten• Optimierung von Laufzeit und Speicheraufwand

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Voxelgrafik

• Definition• Wirkprinzip

– Marching Cubes– Octrees– Approximation durch Diskretisierung

• Beispiele

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Beispiele

• Konzept aus der Modellierung in der Medizin• Computertomographie

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Beispiele

• Weiteres Beispiel aus Medizin: 3D-Röntgenaufnahmen

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Beispiele

• Ende 90er Jahre: Einzug in die Spiele-Industrie• Damals Ersatz für Partikelsystem

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Raytracing

• Globales Beleuchtungsmodell• Erläuterung Prinzip Raytracing• Einsatzgebiete• Intel Raytracing

– Einführung– Demos– Wirkprinzip

• Wertung und Probleme– Bounding Boxes– Grafikqualität– Wegfall der Grafikkarte

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Globales Beleuchtungsmodell

• Im Gegensatz zur Raster-Darstellung, Auswertung der Grafik einer kompletten Szene

• Szene = Bildraum, gekennzeichnet durch Breite, Höhe (Auflösung oder selbstgeschaffenes Sichtfenster) und Tiefe (muss selbst bestimmt werden)

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Raytracing

• Globales Beleuchtungsmodell• Erläuterung Prinzip Raytracing• Einsatzgebiete• Intel Raytracing

– Einführung– Demos– Wirkprinzip

• Wertung und Probleme– Bounding Boxes– Grafikqualität– Wegfall der Grafikkarte

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Erläuterung Wirkprinzip Raytracing

• Raytracing = Strahlenrückverfolgung• Umgekehrte Technik der Realität• Ursprünglich als Sichtbarkeits-Algorithmus gedacht• Berücksichtigung teilweise korrekter physikalischer Effekte

(Refraktion, Reflektion, Absorption)

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Raytracing

• Globales Beleuchtungsmodell• Erläuterung Prinzip Raytracing• Einsatzgebiete• Intel Raytracing

– Einführung– Demos– Wirkprinzip

• Wertung und Probleme– Bounding Boxes– Grafikqualität– Wegfall der Grafikkarte

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Einsatzgebiete

• Ersatz für Produktion teurer, gefertigter Prototypen durch CADs

• Anwendung in aufwendigen Filmproduktionen• Vermehrte Forschung von Chipherstellern im Bereich

Games

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Einsatzgebiete

• Raytracing Studie von NVIDIA • Sept. 2008 • 4 parallele Grafikkarten; org.

Auflösung 1920x1028

• ATI Raytracing ähnlich dem Verfahren in „Transformers“• 2008 erstellt

• Preisträger bei Ausschreibung um Beispiele für Raytracing

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Einsatzgebiete

• Ein paar Sachen zu FF Movie

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Einsatzgebiete

• Wettersimulation• anspruchsvolle Simulationen von physikalischen Vorgängen

• Detailgetreue Geometriedarstellung

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Einsatzgebiete

• Naturgetreue Texturen• Detailmodell neuer Produkte

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Raytracing

• Globales Beleuchtungsmodell• Erläuterung Prinzip Raytracing• Einsatzgebiete• Intel Raytracing

– Einführung– Demos– Wirkprinzip

• Wertung und Probleme– Bounding Boxes– Grafikqualität– Wegfall der Grafikkarte

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Intel Raytracing - Einführung

• Aktueller Entwicklungsbereich• Antrieb durch Diplomarbeit an einer Raytracing-Version von

Quake4• Aufwandsabschätzungen belegen Realisierbarkeit

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Demos & Wirkprinzip

• Korrekte Lichtberechnung & AA

• Refraktion (Lichtbrechung)

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Demos & Wirkprinzip

• Schattenberechnung

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Raytracing

• Globales Beleuchtungsmodell• Erläuterung Prinzip Raytracing• Einsatzgebiete• Intel Raytracing

– Einführung– Demos– Wirkprinzip

• Wertung und Probleme– Bounding Boxes– Grafikqualität– Wegfall der Grafikkarte

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Bounding Boxes

• Reduzierung Rechenaufwand von Kollisionserkennung

• Notwendiger Einsatz von „Bounding Spheres“ zur Kollisionserkennung

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Grafikqualität

• Schattenberechnung schneller, jedoch weiterhin Vollschatten

• Keine Nutzung von abschwächenden Schatten

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Wegfall der Grafikkarte

• Raytracing sehr Prozessorlastich• Physikberechnung auf eigenem Chip sinnvoll• Auswertung Effekte auf Grafikkarte sinnvoll Hauptaufgabe des Prozessors ist Generierung von Rays• Forschung im Bereich spezialisierter RT-Karten

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Quellenverzeichnis

– OpenGL RedBook / YellowBook– Scripte:

• TU Darmstadt• Universität Saarbrücken• TU Berlin• TU München• TU Graz• TU Wien• University of California and San Diego• University of Virginia• University of Sydney

– www.computerbase.de– www.tomshardware.com– http://www.devmaster.net/articles/raytracing/– http://private.homepages.intershop.de/rene/povray/how-to/– www.siggraph.org– http://msdn.microsoft.com– www.informatik-forum.at– http://wiki.delphigl.com/index.php/Hauptseite– www.ozone3d.net– www.songho.ca– http://nehe.gamedev.net

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Quellenverzeichnis

• Wissen:– http://graphics.cs.uni-sb.de/RTRT.old/– http://raytracey.blogspot.com/2008/08/otoy-transformers-and-ray-tracing.html --> Skorpion-Video– http://www.vislab.usyd.edu.au/– http://dusanwriter.com/?p=840 – http://www.computerbase.de/artikel/software/2007/bericht_raytracing_spielen/drucken/ – http://www.online-tutorials.net/directx/shader-konzept/tutorials-t-7-77.html – http://www.at-mix.de/direct3d.htm – http://lexikon.calsky.com/de/txt/p/pi/pixel_shader.php – http://www.tweakpc.de/news/14470/opengl-3-0-spezifikationen-verabschiedet/– http://www.cs.sunysb.edu/~vislab/projects/volume/Papers/index.html– www.songho.ca– http://vis.ucar.edu/~scheitln/viz/portfolio.html