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Die Renderpipeline
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Aufgabengebiet Abbildung einer 3D-Umgebung auf ein Rastergerät
Verformung von Objekten Licht - Berechnungen Transformation in eine Ebene Texturierung Und vieles mehr ...
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Das Pipelining-Konzept
Charakteristika : Monotone Fließkomma-Berechnungen Hohe Geschwindigkeitsanforderung Große Datenmengen Parallelisierbar Vorteile einer Pipeline : Gleichzeitiges Arbeiten verschiedener Stufen Gleichzeitiges Abarbeiten verschiedener Daten ( SIMD )
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Alle Stufen im Überblick
Vertex Processing Tesselation Mapping World Transformation View Transformation Beleuchtung Projection Transformation Backface Culling Frustrum Culling Shading Pixel Processing Scan Conversion Texture Mapping Filtering Shading Depth-Test Alpha-Blending
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Tesselation ( Teil 1 ) Zerlegung der 3D-Daten in Dreiecke
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Tesselation ( Teil 2 ) Zerlegung der 3D-Daten in Dreiecke
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Tesselation ( Teil 3 ) Zerlegung der 3D-Daten in Dreiecke
Vorraussetzung an Polygone : Keine Kantenüberschneidung Polygone müssen konvex sein Keine Löcher Einfachheit
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Mapping Displacement Mapping Bump Mapping Normal Mapping
Modifikation der Vertices durch Texturdaten Absolut realistisch aber „teuer“ Bump Mapping Scheinbar hoher Detailgrad Geringe Leistungseinbußen Normal Mapping Texturdaten als Normalenvektoren Hoher Realitätsgrad
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World Transformation Viele Positionsangaben sind lokal
und nur für einzelne „Objekte“ gültig. Umrechnung in ein gemeinsam genutztes, globales Koordinatensystem
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View Transformation Alle Positionsangaben sind
unabhängig vom Betrachter Umrechnung aller Koordinaten entsprechend der Kamera-Position
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Matrizen-Rechnung Verschiebung ( Translation ) Homogene Koordinaten
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Lichtquellen Verschiedene Arten von Lichtquellen
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Lichtbestandteile Ambientes Licht Diffuses Licht Spekuläres Licht
Kein Ursprung Gleichmäßige Verteilung Diffuses Licht Helligkeitsverteilung richtet sich nach Normalenvektor Unabhängig von der Position des Betrachters Spekuläres Licht Reflexion in eine bevorzugte Richtung Ermöglicht Realistische Plastik- und Metalloberflächen
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Beleuchtungsmodell ( lokal )
Bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion ( BRDF ) Gibt das Reflexionsverhalten von Materialien an Phong-Beleuchtung Erfüllt nicht den Energieerhaltungsatz Heuristisches Modell „Glanzpunkte“ Alternativen : Schlick – Beleuchtungsmodell Normal Mapping bzw. Bump Mapping Per-Pixel Lighting cosn (θ)
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Gouraud-Shading Berechnung des Vertex-Normalenvektors mit Hilfe
von benachbarten Flächen Interpolation der Eckpunkte über die gesamte Fläche
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Phong-Shading Erweiterung des Gouraud-Shadings
Berechnung der Normalen entlang der Kanten Farbwert berechnet sich aus zwei Normalen einer Zeile
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Projection Transformation
Umwandlung aller 3D-Daten in ein 2D-System Orthogonale Projektion ( Parallel ) Perspektivische Projektion ( Fluchtpunkt )
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Backface Culling Rückseiten - Entfernung Ersparnis : ca. 50%
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Frustrum Culling ( Clipping )
Reduktion der Umwelt auf einen Kegelstumpf Ersparnis : bis zu 85% ( 5/6 )
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Perspective Division normierte Gerätekoordinaten
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Viewport Transformation
Anpassung des Höhen-Seitenverhältnisses Fenster – Koordinaten inkl. Tiefenwert Eintrag im Z-Buffer
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Scan Conversion Auflösung eines Dreiecks in einzelne Fragmente
Lineare Interpolation Lineare Kanteninterpolation
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Texture-Mapping
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Depth Test Punkte, die sich hinter anderen Objekten befinden
dürfen nicht gezeichnet werden Z – Buffering Alpha Blending ?
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Filtering Isotropisches Filtern Anisotropisches Filtern Bilinear
MIP-MAPs Trilinear Anisotropisches Filtern Footprint Assembly
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Anti-Aliasing Oversampling mit anschließender Tiefpassfilterung
Full Scene AA Multisampling AA Verringerte Schärfe
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Alpha - Blending Komposition des zu schreibenden Pixels mit dem im Bildspeicher bereits existierendem Farbwert.
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Alternativen Vertex Shader Pixel Shader
Geometry Processing frei programmierbar Nachfolger der Transform & Lighting – Funktion Beherrscht Formveränderungen und Lichtänderungen Pixel Shader Verändert Materialeigenschaften Spiegelungen Schattierung Lensglow und Lensflares
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Ausblick – HDRR High Dynamic Range Rendering
8Bit Integer-Tupel (R,G,B) wird durch 16Bit floats ersetzt
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Ausblick – UT2007 Unreal Tournament 2007
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Ausblick – MGS 4 Metal Gear Solid 4
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Raytracing Vorteile Probleme hohe Flexibilität
leichtere Austauschbarkeit der Shader einfache Implementierung mit überschaubarer Komplexität Probleme Effekte wie Nebel oder Flammen kaum möglich Sehr hoher Rechenaufwand
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Die Renderpipeline Fragen ? Wünsche ? Anregungen ?
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