Non-Photorealistic Rendering Eine Einführung

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 Test Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

1.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. Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

1. Begriffserklärung „Non Photorealistic Rendering“: Problematik: Der Begriff drückt aus, um was es NICHT geht (vgl. „non-elephant biology“) Alternative Bezeichnungen: Artistic Rendering, Expressive Rendering, Stylized Rendering… 1990 als eigenständiger Bereich der Computergrafik definiert Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

1. Begriffserklärung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

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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 Test Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

2. Ziele Im wesentlichen 2 wichtige Ziele: Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…) künstlerische, kreative Bilder erzeugen überschneidet sich natürlich häufig Nachahmen handgemachter bilder Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

2. Ziele Nachteile photorealistischer Bilder: Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen) Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst) Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen) Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig Interpretationsmöglichkeiten „Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Cassidy Curtis 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 Test Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Kunst Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Comics/ Cartoons Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Architektur Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Kartographie Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Medizin Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Technik Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

3. Anwendungsgebiete Archäologie 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 Test Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.1 Überblick Einordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien: A. Maß an Interaktion interaktiv (künstlerisch) automatisch B. Eingabe 3D Szenen 2D Bilder 2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen) Benuzereingaben in ein Malsystem C. Art des Algorithmus Objektraum-Algorithmus Bildraum-Algorithmus D. Ausgabe Cartoon (-> Toon Shading) Skizze (-> Computer Sketching) Punktzeichnung (-> Stippling) Aquarell… Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.1 Grundlagen Objektraum-Algorithmen Bildraum-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…“ „for each Pixel do…“ Skalierungen/ Drehungen erfordern keine erneute Berechnung Skalierungen/ Drehungen erfordern eine erneute Berechnung ( keine Frame-Kohärenz, „Shower Door Effekt“) Ojektraum: idR zeitaufwändiger Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.2 Toon Shading Toon Shading: Eine Rendering Technik, die verwendet wird um den 2D Effekt von Cartoons zu erzeugen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.2 Toon Shading Motivation: „Einfache“ Erstellung von Cartoons/ Zeichentrickfilmen Charakteristika: große Farbflächen mit maximal 3 Schattierungsstufen Silhouetten einfache Gestaltung Beschränkung auf wichtige Elemente Bei Animationen: Effekte (wie z.B. Kamerafahrten) sind von Hand schwer umzusetzen Bei größeren Szenen müsste jedes Bild einzeln erstellt werden -> Massive Zeitersparnis durch Computerunterstützung für monotone Arbeiten Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.2 Toon Shading Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum): Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe) Jedem Polygon wird eine Farbe zugeordnet Zuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle L Oberfläche 1D Textur Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.2 Toon Shading Silhouetten (Bildraumverfahren) Tiefenkarte extrahieren Kantenerkennung darauf anwenden Normalenkarte erstellen Kantenerkennung darauf anwenden Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.2 Toon Shading Kombinieren der beiden Ergebnisse: Anwendung auch bei technischen Illustrationen: Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.3 Computer Sketching Computer Sketching: Eigenschaften von Skizzen: Linien starten und enden nicht exakt den „richtigen“ Punkten Linien sind nicht exakt gerade Linienbreite ist nicht konstant Computer Sketching: Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die aussehen wie handgezeichnete Skizzen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.3 Computer Sketching Motivation: Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentieren (Anwendung z.B. in der Architektur) Exakte Darstellung wirkt oft sehr steril Mögliche Verfahren: Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter) Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum) Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum) Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.3 Computer Sketching Objektraum-Verfahren: Linien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzen Linien spalten Mittelpunkte der Linien verschieben Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning Halftoning (Halbton-Verfahren): Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich kontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farben Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning Problem: Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker konnten nur Schwarz-Weiß drucken Ziel: Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder möglichst hoher Qualität erzeugen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning Verfahren: Eingabe: Graustufenbild Zusammenfassen von Pixeln zu Pixelgruppen Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im Graustufenbild Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß-Muster (gespeichert in einer Matrix) 2 9 4 6 1 8 7 3 5 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning Ausnutzen der Auflösung des Menschlichen Auges Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning   Beispiel: Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.4 Halftoning Aber: Heutige Hardware könnte ohne Halftoning arbeiten Neue Anwendung im NPR: Gezielt Muster in Bilder einarbeiten („Bug turnes Feature“) Screening Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.5 Screening Bild Screening: Variante des Halftonings bei der der Benutzer mehr Kontrolle über die entstehenden Muster erhält Motivation: Mögliche Muster beim Halftoning uninformativ. Man möchte mehr Kontrolle über die Muster Ziel: zusätzliche Information zum Orginalbild (je nach Abstand zum Bild) Anwendung: hauptsächlich in der Kunst?? Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.5 Screening Vorgehen: Eingabe: Graustufenbild S Graustufenbild eines Musters M Muster zyklisch auf Bildgröße erweitern Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (IS(p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (IM(p)) IS(p) > IM(p)  Pixel wird gesetzt, sonst nicht Entstehen einer Art Textur Unterschiedliche Wahrnehmung von Nahem und aus der Ferne Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.5 Screening Screening mit Texten Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Stippling (Punktierung): Das Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Motivation: Anwendung: Liefert sehr klare Illustrationen Anfertigung per Hand extrem aufwändig Anwendung: Bei wissenschaftlichen und technischen Illustrationen Als Kunstform In Printmedien Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Charakteristika: Punkte simulieren Ton und Textur Gleichmäßige Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster) Im Allgemeinen einheitliche Punktgröße Im Allgemeinen keine Berührung von Punkten Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Lösungsansatz (im Objektraum): Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“ Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbar Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

4.6 Stippling Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

5. Zusammenfassung Noch viele weitere mögliche Techniken Bei weiterem Interesse: „Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas Strothotte, Stefan Schlechtweg) http://www.red3d.com/cwr/npr/ Weites Gebiet, verschiedenste Techniken Bei weitem noch nicht alle technicken Beschäftigt sich sogar mit „artistic media simulation“ Drauf aufpassen wie oft NPR über den Weg läuft Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007

Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007