DirectX – Graphics Fortgeschrittene Techniken

Lichtberechnung - Basics Vertexbasiertes Licht DirectX – Standardmethode Farbe eines Polygons ergibt sich aus dem Licht, dem seine Vertices ausgesetzt sind hohe Performance der Berechnung Problem: bei zu großen Polygonen kann es passieren, dass die Vertices nicht mehr vom Licht erreicht werden dies gilt allerdings nur für Lichtquellen mit begrenzter Reichweite

Lichtberechnung - Basics Pixelbasiertes Licht pixelbasierte Verfahren errechnen für jedes Pixel eines Polygons dessen Normalenvektor dieser dient dann als Grundlage für die Lichtberechnung realistische Lichtberechnung allerdings sehr arbeitsintensive Berechnungen

Lichtberechnung - Basics Lichtarten Ambientes Licht dient der gleichmäßigen Ausleuchtung einer Szene => Grundbeleuchtung Lichtfarbe wird festgelegt und Licht eingeschaltet //Einschalten g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, TRUE); //Lichtfarbe g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_AMBIENT, D3DCOLOR_XRGB(150, 150, 150);

Lichtberechnung – Basics Direkte Lichtquellen Directional Light paralleles Licht mit unendlicher Reichweite Point Light breitet sich von einer Punktlichtquelle in alle Richtungen mit begrenzter Reichweite aus Spot Light bsw. Lichtkegel einer Taschenlampe

Lichtberechnung - Basics Lichteigenschaften werden in der D3DLIGHT9 – Struktur gespeichert:

Lichtberechnung - Basics Farbanteile des Lichtes werden in der D3DCOLORVALUE - Struktur gespeichert Werte > 1 erzeugen ein sehr helles Licht Werte < 0 entziehen der Szene den jeweiligen Farbanteil

Lichtberechnung Lichtreflektion an einer Oberfläche Helligkeit abhängig vom Einfallswinkel je größer der Winkel, desto geringer die Helligkeit wahrgenommene Intensität unabhängig von der Position des Betrachters, da Licht in viele verschiedene Richtungen reflektiert wird (Oberflächenbeschaffenheit)

Lichtberechnung weitere Reflektionsarten spiegelnde Reflektion abhängig von der Materialoberfläche (Spiegel vs. Stein) wahrgenommene Intensität abhängig von der relativen Position des Betrachters zur Lichtquelle ambiente Reflektion Licht ohne spezielle Richtung wird ständig „hin und her“ reflektiert Reflektion unabhängig von der Orientierung der Oberfläche => Licht kommt aus allen Richtungen bsw. Helligkeit trotz Wolken

Lichtberechnung abhängig von der Temperatur eines Körpers kann dieser auch selbst Licht aussenden (bsw. Weißglut) Materialeigenschaften wie diese werden in der D3DMATERIAL9 – Struktur gespeichert

Shading - Verfahren Flat – Shading Lichtberechnung aufgrund des Oberflächennormalenvektors wegen vertexbasierter Berechnung, muss Normalenvektor den Vertices zugewiesen werden gesamtes Polygon wird einheitlich schattiert kantige Farbverläufe zwischen Polygonen dafür sehr schnelles Verfahren

Shading - Verfahren Gouraud – Shading DirectX – Standardverfahren Berechnung der Lichtintensität der Vertices Interpolation der Farbverlaufs aufgrund dieser Werte die Beleuchtung des Polygons ist dann einheitlich, wenn sowohl Beleuchtung als auch Normalenvektoren aller Vertices gleich sind

Shading - Verfahren Vertexstrukturen D3DFVF_NORMAL => Vertexbeleuchtung durch DirectX D3DFVF_TEX2 => 2 Sätze von Texturkoordinaten werden verwendet

Multitexturing Erscheinungsbild eines Polygons resultiert aus der Kombination von Licht – und Texelfarbe (Farbe jedes Texturpixels) DirectX bietet viele verschiedene Kombinationsverfahren Beispiel Farbbestimmung bei einer Textur (0. Stufe) // 1. Farbargument ist Texelfarbe g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE) // 2. Argument ist diffuse Streulichtfarbe g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_DIFFUSE) // Multiplikative Verknüpfung g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_MODULATE)

Multitexturing DirectX – Farboperationen Konstante Vorgehen Effekt D3DTOP_MODULATE Arg1 * Arg2 D3DTOP_MODULATE2X (Arg1 * Arg2) * 2 Aufhellung D3DTOP_MODULATE4X (Arg1 * Arg2) * 4 D3DTOP_ADDSIGNED Arg1 + Arg2 - 0,5 Angenehmer Hell – Dunkel Kontrast D3DTOP_ADDSIGNED2X (Arg1 + Arg2 – 0,5) * 2 kräftiger Hell – Dunkel Kontrast

Multitexturing verwendet man mehrere Texturstufen (= mehrere Texturen) wird die Farbe der nächst kleineren Texturstufe zum 2. Farbargument bsw. Ergebnis der Farboperation der 0. Stufe wird zum Farbargument der 1. Stufe usw. DirectX erlaubt die Verwendung von bis zu 8 Texturstufen

Multitexturing Detailmapping dient einer Vergrößerung des Polygondetailreichtums Strukturtextur wird bsw. als 1. Texturstufe auf das Polygon gemappt // 2. Satz Texturkoordinaten verwenden g_pd3dDevice->SetTextureStageState(1, D3DTSS_TEXCOORDINDEX, 1); // 1. Argument ist Texelfarbe der Detailtextur g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE); // 2. Argument ist Ergebnis der Farboperation der 0. Texturstufe g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT); // als Farboperation wird D3DTOP_ADDSIGNED verwendet g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLOROP, D3DTA_ADDSIGNED);

Multitexturing Glowmapping dient der Simulierung einer zusätzlichen Beleuchtung einer Polygonfläche 2 Möglichkeiten Berücksichtigung der Streulichtfarbe der eingeschalteten Lichtquellen zur Beleuchtung wird ausschließlich die Lightmap – Textur verwendet Def.: Lightmap – Textur ist ein Bitmap, welches bsw. einen Lichtkegel darstellt:

Multitexturing Darkmapping dient der Abdunklung einer Textur wird durch die Farboperation D3DTOP_MODULATE erreicht Zurücksetzen der Farboperationen nach dem Rendern: Standard 0. Texturstufe: g_pd3dDeviceSetTextureStageState(0, D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_MODULATE) Standard aller weiteren Stufen g_pd3dDeviceSetTextureStageState(Nr , D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_DISABLE)

Multitexturing Konstanten und ihre Bedeutung: Konstante Effekt D3DTOP_ADD Addition beider Farbargumente D3DTA_CURRENT Ergebnis der vorherigen Farboperation D3DTA_TEXTURE Texelfarbe der aktuellen Texturstufe D3DTOP_SELECTARG1 als Farbargument der Operation wird nur die aktuelle Texelfarbe verwendet D3DTA_COLORARG1 1. Farbargument D3DTSS_TEXCOORDINDEX, x x. Texturkoordinatensatz wird verwendet Konstanten für Farboperationen vs. Konstanten zur Farbargumentfestlegung

Texturfilterung Techniken bilineare Filterung anisotrope Filterung bilineare Texturfilterung mit einfachem Mipmap – Wechsel trilineare Texturfilterung (bilineare Filterung zwischen verschiedenen Mipmaps „sanftes Überblenden“) Filterungsverfahren dienen der Qualitätsverbesserung bei der Skalierung der 3D – Objekte und damit der Texturen Filterverfahren sind bei der Skalierung darum notwendig, weil Texelfarben bei Vergrößerung / Verkleinerung interpoliert werden müssen

Texturfilterung die bilineare Filterung interpoliert einen neuen Texelwert aus den Farbwerten in x – und y – Richtung um das betreffende Basistexel speziell bei perspektivischen Darstellungen erbringt dieses Verfahren allerdings schlechte Ergebnisse die trilineare Filterung interpoliert aus 2 bilinear gefilterten Farbwerten einen Endwert => die 2 Basisfarbwerte stammen von den Texelfarben zweier benachbarter Mipmap – Stufen beim Übergang einer Mipmap zur nächsten wird die Texelfarbe aus beiden Mipmaps interpoliert

Texturfilterung anisotrope (uneinheitliche) Filterung während die trilineare Filterung alle Texel gleichmäßig abtastet, berücksichtigt die anisotrope Filterung den Winkel, mit dem man auf eine Textur blickt dadurch erhöht sich die Bildqualität allerdings ist die Berechnung relativ zeitaufwendig

Texturfilterung Filtertechniken / wichtige Konstanten: Konstante Effekt D3DSAMP_MINFILTER Filtertyp, der bei der Verkleinerung einer Textur eingesetzt wird D3DSAMP_MAGFILTER Filtertyp, der bei der Vergrößerung einer Textur eingesetzt wird D3DTEXF_LINEAR bilineare Texturfilterung D3DTEXF_ANISOTROPIC anisotropische Filterung D3DSAMP_MAXANISOTROPY, AnzSufen Festlegung der Maximalstufe der anisotropen Filterung => hardwareabhängig

Texturfilterung Filtertechniken / wichtige Konstanten: Konstante Effekt D3DSAMP_MIPFILTER Mipmap – Filteroptionen festlegen D33DTEXF_NONE bilineare Filtern ohne Mipmap – Wechsel D3DTEXF_POINT bilineares Filtern mit einfachem Mipmap – Wechsel D3DTEXF_LINEAR trilineare Texturfilterung => bilineare Filterung zwischen Mipmaps Beispiel: g_pd3dDevice->SetsamplerState(NrTexturStufe, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_LINEAR);

Erzeugung von 3D - Objekten einfache 3D – Objekte lassen sich von einer mathematischen Grundform ableiten bsw. Kugel dadurch lässt sich die Konstruktion solcher Objekte algorithmisch formulieren man muss eine mathematische Formulierung finden, die den Aufbau eines komplexen Objektes aus einzelnen Polygonen erreicht zur Speicherung der Vertex – Koordinaten verwendet man eine indizierte Dreiecksliste

Erzeugung von 3D - Objekten Indizierte Dreieckslisten neben einem Vertexbuffer benötigt man einen Indexbuffer, in dem die Positionen der Vertices in einer festgelegten Reihenfolge vorliegen erzeugt man ein Polygon, werden dessen Vertex – Koordinaten in den Indexbuffer geschrieben Vorteil: einzelne Vertices können mehrfach verwendet werden haben 2 Polygone eine gemeinsame Kante, haben sie auch 2 gemeinsame Vertices statt 6 Vertices, müssen nur 4 berechnet werden

Erzeugung von 3D - Objekten Verwenden einer indizierten Dreiecksliste Indexdaten werden meist zunächst in temporärem Indexarray gespeichert und dann in den Indexbuffer kopiert Indexbuffer wird durch CreateIndexBuffer(…) erzeugt g_pd3dDevice->CreateIndexBuffer(AnzIndices*sizeof(WORD), D3DUSAGE_WRITEONLY, D3DFMT_INDEX16, D3DPOOL_MANAGED, &PlanetIB, NULL );

Erzeugung von 3 - Objekten Erzeugung eines Indexbuffers bei der Erstellung eines 3D – Objekts definiert man die Position der einzelnen Polygone als 2D – Projektion des Objekts in eine Ebene (bsw. Kugel => Weltkarte) dadurch bleibt die relative Anordnung der Polygone zueinander gleich in dieser Ebene verwendet man üblicherweise Quads die Eckpunktindices der Basisdreiecke werden im Uhrzeigersinn in das Indexarray geschrieben

Erzeugung von 3D - Objekten Erzeugung eines Indexbuffers das Problem liegt darin, eine mathematische Formulierung zu finden, die die gesuchte geometrische Grundform beschreibt Beispiel Kugel: x = radius * sin(Vertikalwinkel) * sin(Horizontalwinkel); y = -radius * cos(Vertikalwinkel); z = radius * sin(Vertikalwinkel) * cos(Horizontalwinkel);

Erzeugung von 3D - Objekten Erzeugung einer Kugel mit den vorherigen Gleichungen kann man nun eine Schleife bauen, die den Kugelindexbuffer initialisiert: for( zeilenNr = 0; zeilenNr < AnzVerticesSpalte; zeilenNr++) { for( spaltenNr = 0; spaltenNr < AnzVerticesZeile; spaltenNr++) pVertices[zeilenNr*AnzVerticesZeile+spaltenNr].position = D3DXVECTOR3(Radius*sinf(zeilenNr*RingTeilwinkel)*sinf(spalte nNr*SegmentTeilwinkel), -Radius*cosf(zeilenNr*RingTeilwinkel), Radius*sinf(zeilenNr*RingTeilwinkel)*cosf(spaltenNr*SegmentTeil winkel)); }

Erzeugung von 3D - Objekten Rendern einer indizierten Dreiecksliste Übergabe von Index – und Vertexbuffer an DirectX g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, PlanetModell->PlanetVB, 0, sizeof(SPACEOBJEKT3DVERTEX)); g_pd3dDevice->SetIndices(PlanetModell->PlanetIB); Zeichnen der indizierten Dreiecksliste g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 0, PlanetModell->AnzVertices, 0, PlanetModell->AnzTriangles) zeichnet alle Dreiecke vom Anfang bis zum Ende des Indexbuffers es können auch nur bestimmte Dreiecke des Indexbuffers gezeichnet werden

Alpha - Blending dient der Darstellung von Transparenzeffekten um Darstellungsfehler zu vermeiden, müssen alle transparenten Objekte in Back – to – Front Order gerendert werden => zuerst die am weitesten entfernten Objekte Objekte ohne Transparenzeigenschaften müssen entweder vorher oder auch Back – to – Front gerendert werden 2. Möglichkeit deutlich rechenintensiver, dafür keine Darstellungsfehler

Alpha - Blending zunächst Sortierung der Objekte notwendig Verwendung von qsort() => basiert auf Quick – Sort – Algorithmus qsort() ruft Callback – Methode ObjektSortCB() auf diese Funktion legt fest, wie die Objekte sortiert werden sollen

Alpha - Blending Alpha Blending erzeugt Mischfarben aus den Texelfarben des transparenten Objekts und den Farben der Hintergrundpixel da die Farben der Hintergrundpixel vorhanden sein müssen, müssen weit entfernte Pixel zuerst gerendert werden Def.: Texelfarbe des transparenten Objekts: Quellfarbe (source color) Farbe der Hintergrundpixel: Zielfarbe (destination color)

Alpha - Blending Konstante Bedeutung D3DBLEND_SRCALPHA Alphakomponente => Grad der Transparenz 0.0f = 100% Transparenz, 1.0f = 0% Transparenz D3DBLEND_INVSRCALPHA 1 - Alphakomponente bei 100% Transparenz gilt: Mischfarbe = Hintergrundfarbe bei 0% Transparenz gilt: Mischfarbe = Texelfarbe allgemein gilt: Mischfarbe = Texelfarbe * Alpha + Hintergrundfarbe * (1 – Alpha) den Grad der Transparenz legt man bei den Materialeigenschaften fest bsw. mtrl.Diffuse.a = 0.6f => 40% Transparenz

Alpha - Blending verschiedene Mischoperationen für Alpha – Blending: Standardeinstellungen: 0. Texturstufe: D3DTOP_SELECTARG1 => nur Alphawerte der Texel werden berücksichtigt weitere Stufen: D3DTOP_DISABLE Konstante Bedeutung D3DTSS_ALPHAOP Festlegen der Operationsmethode D3DTOP_MODULATE ARG1 * ARG2 D3DRS_DESTBLEND, 2 Mischfarbe = Texelfarbe + Hintergrundfarbe => keine Verwendung der Alphakomponenten

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