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Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering Eine Einführung.

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Präsentation zum Thema: "Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering Eine Einführung."—  Präsentation transkript:

1 Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering Eine Einführung

2 computer graphics & visualization Folie 2 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 Überblick 4.2 Toon Shading 4.3 Computer Sketching 4.4 Halftoning 4.5 Screening 4.6 Stippling 5. Zusammenfassung

3 computer graphics & visualization Folie 3 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Begriffserklärung Definition Non Photorealistic Rendering: Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch sind. Definition nicht photorealistische Bilder (nach Masuch): Als nicht-photorealistisch bezeichnen wir Bilder, deren Elemente zwar realistische Aspekte der Abbildung beinhalten, deren Darstellungsweise jedoch aufgrund der Verwendung bestimmter Stilmittel in den Bereichen Form, Farbe, Struktur, Schattierung, Licht oder Schattenwurf von der wahrnehmbaren Wirklichkeit abweichen.

4 computer graphics & visualization Folie 4 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Begriffserklärung Non Photorealistic Rendering: Problematik:Problematik: Der Begriff drückt aus, um was es NICHT geht (vgl. non-elephant biology) Alternative Bezeichnungen: Artistic Rendering, Expressive Rendering, Stylized Rendering…Alternative Bezeichnungen: Artistic Rendering, Expressive Rendering, Stylized Rendering… 1990 als eigenständiger Bereich der Computergrafik definiert1990 als eigenständiger Bereich der Computergrafik definiert

5 computer graphics & visualization Folie 5 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Begriffserklärung

6 computer graphics & visualization Folie 6 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Begriffserklärung

7 computer graphics & visualization Folie 7 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 Überblick 4.2 Toon Shading 4.3 Computer Sketching 4.4 Halftoning 4.5 Screening 4.6 Stippling 5. Zusammenfassung

8 computer graphics & visualization Folie 8 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Ziele Im wesentlichen 2 wichtige Ziele: Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…)Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…) künstlerische, kreative Bilder erzeugenkünstlerische, kreative Bilder erzeugen

9 computer graphics & visualization Folie 9 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Ziele Nachteile photorealistischer Bilder: Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen)Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen) Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst)Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst) Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen)Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen) Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig InterpretationsmöglichkeitenBetrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig Interpretationsmöglichkeiten Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination -Cassidy Curtis

10 computer graphics & visualization Folie 10 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 Überblick 4.2 Toon Shading 4.3 Computer Sketching 4.4 Halftoning 4.5 Screening 4.6 Stippling 5. Zusammenfassung

11 computer graphics & visualization Folie 11 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Kunst

12 computer graphics & visualization Folie 12 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Comics/ Cartoons

13 computer graphics & visualization Folie 13 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Architektur

14 computer graphics & visualization Folie 14 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Kartographie

15 computer graphics & visualization Folie 15 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Medizin

16 computer graphics & visualization Folie 16 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Technik

17 computer graphics & visualization Folie 17 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Anwendungsgebiete Archäologie

18 computer graphics & visualization Folie 18 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 Überblick 4.2 Toon Shading 4.3 Computer Sketching 4.4 Halftoning 4.5 Screening 4.6 Stippling 5. Zusammenfassung

19 computer graphics & visualization Folie 19 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Überblick Einordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien: A. Maß an InteraktionA. Maß an Interaktion interaktiv (künstlerisch) automatischinteraktiv (künstlerisch) automatisch B. EingabeB. Eingabe 3D Szenen3D Szenen 2D Bilder2D Bilder 2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen)2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen) Benuzereingaben in ein MalsystemBenuzereingaben in ein Malsystem C. Art des AlgorithmusC. Art des Algorithmus Objektraum-AlgorithmusObjektraum-Algorithmus Bildraum-AlgorithmusBildraum-Algorithmus D. AusgabeD. Ausgabe Cartoon (-> Toon Shading)Cartoon (-> Toon Shading) Skizze (-> Computer Sketching)Skizze (-> Computer Sketching) Punktzeichnung (-> Stippling)Punktzeichnung (-> Stippling) Aquarell…Aquarell…

20 computer graphics & visualization Folie 20 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Grundlagen Objektraum-AlgorithmenBildraum-Algorithmen Arbeiten im 3 Dimensionalen Raum Arbeiten im 2 Dimensionalen Raum Geometrische Datenverarbeitung Bildverarbeitung Arbeiten auf der Ebene der Objekte, mit der Genauigkeit ihrer Definition Die Genauigkeit der Berechnung entspricht der Bildschirmauflösung Pseudocode: for each Object do… Pseudocode: for each Pixel do… Skalierungen/ Drehungen erfordern keine erneute Berechnung Skalierungen/ Drehungen erfordern eine erneute Berechnung ( keine Frame- Kohärenz, Shower Door Effekt)

21 computer graphics & visualization Folie 21 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Toon Shading Toon Shading: Eine Rendering Technik, die verwendet wird um den 2D Effekt von Cartoons zu erzeugen

22 computer graphics & visualization Folie 22 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Toon Shading Charakteristika: große Farbflächen mit maximal 3 Schattierungsstufengroße Farbflächen mit maximal 3 Schattierungsstufen SilhouettenSilhouetten einfache Gestaltungeinfache Gestaltung Beschränkung auf wichtige ElementeBeschränkung auf wichtige Elemente Motivation: Einfache Erstellung von Cartoons/ Zeichentrickfilmen

23 computer graphics & visualization Folie 23 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Toon Shading Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum): Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe)Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe) Jedem Polygon wird eine Farbe zugeordnetJedem Polygon wird eine Farbe zugeordnet Zuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle LZuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle L 1D Textur Oberfläche

24 computer graphics & visualization Folie 24 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Toon Shading Silhouetten (Bildraumverfahren) Tiefenkarte extrahierenTiefenkarte extrahieren Kantenerkennung darauf anwendenKantenerkennung darauf anwenden Normalenkarte erstellenNormalenkarte erstellen Kantenerkennung darauf anwendenKantenerkennung darauf anwenden

25 computer graphics & visualization Folie 25 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Toon Shading Kombinieren der beiden Ergebnisse: Anwendung auch bei technischen Illustrationen :

26 computer graphics & visualization Folie 26 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Computer Sketching Computer Sketching: Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die aussehen wie handgezeichnete Skizzen

27 computer graphics & visualization Folie 27 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Computer Sketching Motivation: Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentierenSkizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentieren (Anwendung z.B. in der Architektur) Exakte Darstellung wirkt oft sehr sterilExakte Darstellung wirkt oft sehr steril Mögliche Verfahren: a.Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter) b.Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum) c.Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum)

28 computer graphics & visualization Folie 28 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Computer Sketching Objektraum-Verfahren: Linien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzenLinien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzen Linien spaltenLinien spalten Mittelpunkte der Linien verschiebenMittelpunkte der Linien verschieben

29 computer graphics & visualization Folie 29 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Halftoning (Halbton-Verfahren): Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich kontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farben

30 computer graphics & visualization Folie 30 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Problem:Problem: Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker konnten nur Schwarz-Weiß drucken Ziel:Ziel: Aus bestehenden Bildern druckbare Bilder möglichst hoher Qualität erzeugen

31 computer graphics & visualization Folie 31 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Verfahren: Eingabe: GraustufenbildEingabe: Graustufenbild Zusammenfassen von Pixeln zu PixelgruppenZusammenfassen von Pixeln zu Pixelgruppen Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im GraustufenbildBerechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im Graustufenbild Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß- Muster (gespeichert in einer Matrix)Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß- Muster (gespeichert in einer Matrix)

32 computer graphics & visualization Folie 32 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Ausnutzen der Auflösung des Menschlichen Auges

33 computer graphics & visualization Folie 33 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Beispiel:

34 computer graphics & visualization Folie 34 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Halftoning Aber:Aber: Heutige Hardware könnte ohne Halftoning arbeiten Neue Anwendung im NPR:Neue Anwendung im NPR: Gezielt Muster in Bilder einarbeiten (Bug turnes Feature) Screening Screening

35 computer graphics & visualization Folie 35 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Screening - Bild Screening: Variante des Halftonings bei der der Benutzer mehr Kontrolle über die entstehenden Muster erhält

36 computer graphics & visualization Folie 36 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Screening Vorgehen: Eingabe:Eingabe: Graustufenbild SGraustufenbild S Graustufenbild eines Musters MGraustufenbild eines Musters M Muster zyklisch auf Bildgröße erweiternMuster zyklisch auf Bildgröße erweitern Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (I S (p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (I M (p))Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (I S (p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (I M (p)) I S (p) > I M (p) Pixel wird gesetzt, sonst nichtI S (p) > I M (p) Pixel wird gesetzt, sonst nicht

37 computer graphics & visualization Folie 37 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Screening Screening mit Texten

38 computer graphics & visualization Folie 38 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling Stippling (Punktierung): Das Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellen

39 computer graphics & visualization Folie 39 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling Motivation:Motivation: Liefert sehr klare IllustrationenLiefert sehr klare Illustrationen Anfertigung per Hand extrem aufwändigAnfertigung per Hand extrem aufwändig Anwendung:Anwendung: Bei wissenschaftlichen und technischen IllustrationenBei wissenschaftlichen und technischen Illustrationen Als KunstformAls Kunstform In PrintmedienIn Printmedien

40 computer graphics & visualization Folie 40 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling Charakteristika: Punkte simulieren Ton und TexturPunkte simulieren Ton und Textur Gleichmäßige Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster)Gleichmäßige Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster)

41 computer graphics & visualization Folie 41 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling Lösungsansatz (im Objektraum): Verwenden von priorisierten Strich-TexturenVerwenden von priorisierten Strich-Texturen

42 computer graphics & visualization Folie 42 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling Andere Pen & Ink Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbarAndere Pen & Ink Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbar

43 computer graphics & visualization Folie 43 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Stippling

44 computer graphics & visualization Folie 44 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS Zusammenfassung Noch viele weitere mögliche TechnikenNoch viele weitere mögliche Techniken Bei weiterem Interesse:Bei weiterem Interesse: Non Photorealistic Computer Graphics (Thomas Strothotte, Stefan Schlechtweg)Non Photorealistic Computer Graphics (Thomas Strothotte, Stefan Schlechtweg)

45 computer graphics & visualization Folie 45 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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