Computergrafik Vom Dreieck zum Ego-Shooter Olaf Müller Fachbereich Mathematik/Informatik Universität Osnabrück 49069 Osnabrück olaf@informatik.uni-osnabrueck.de Begruessung Heute: Vortrag mit anschliessender Diskussion Und los: Titel: Am Anfang: einfache 2D-Grafik <-> heute: photorealistische 3D-Darstellungen. Wie war der Weg dahin?

Inhalt 1. Motivation 2. 2D-Grafik 2. 3D-Grafik 3. Beschleunigung 4. Realismus 5. Zusammenfassung

Motivation Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte 3 Richtungen in der grafischen Datenverarbeitung - Mustererkennung Mensch kann 100.000 mal schneller ein Bild durch Anschauen erfassen als die Beschreibung des Bildes lesen: Neue Klamotten, neues Handy, neuer Freund/Freundin, Weg zur Party Drei Bereiche: Aber heute: Weder Bildverarbeitung noch Mustererkennung Ziel: aus einer Beschreibung wird eine (photorealistische) Darstellung der Objekte generiert. CG nicht alt: bis 1950 nur Zahlen auf Anzeigen wie Registrierkassen. Dann: Monitor und Drucker. ~1990: Erste Ego-Shooter: Durch Labyrinth laufen: Bildschirmschoner. - Bildverarbeitung - generative Computergrafik

2D-Grafik 2 Dimensionen: X- und Y-Achse Anwendungen: - grafische Benutzungsoberflächen - Landkarten und Stadtpläne - Balken- und Tortendiagramme Dim: Achsenkreuz von Herrn Vornberger zeigen und Hand dzau zeigen. (0,0) ist links oben. X nach rechts, Y nach unten Anwendungen: Z.B.: Windows statt Konsole Schnelle Erfassung komplexer Daten Matheunttericht: Selber zeichnen ist langweilig. - Visualisierung von Daten und Funktionen

2D-Objekte Punkt: bei (x,y) Linie: von (x1, y1) nach (x2, y2) Polygon: Folge von Punkten, durch Linien verbunden Die Objekte der Reihe nach an die Tafel malen; ggf. das Programm Imaging dazuholen: Polygon: Letzter und Erster Punkt werden verbunden! Kreis: Krummlinige Begrenzung! Modellkoordinatensystem vs. Weltkoordinatensystem: Herumschieben, drehen etc. Kreis: Mit Radius r um Mittelpunkt (x,y) Koordinatensysteme

3D-Grafik 3 Dimensionen: X-, Y-, und Z-Achse Anwendungen: - CAD - Simulation Achsenkreuz von Herrn Vornberger zusammenstecken rechtshaendig erklaeren Anwendungen: z.B.: CAD: Computer Aided Design: Entwurf von Autos, Haeusern und Maschinen Simulation von physikalischen, chemischen, biologischen oder technischen Sachverhalten. Medizin: 3D-Bild von Computertomographien etc. Spiele, Filme, VR etc. Hierliegt heute unser Schwerpunkt: 3D-Echtzeitanimation - Visualisierung - Medizin - Unterhaltung (Beispiel 2)

3D-Objekte Geometrie - Punkte - Flächen Oberflächeneigenschaften - Farbe 3D-Szene betsteht aus: Objekten Wuerfel: 8 Punkte bei 1 (0,0,0), 2 (1,0,0), 3 (1,0,1), 4 (0,0,1) (Frontseite) 5 (0,1,0), 6 (1,1,0), 7 (1,1,1), 8 (0,1,1) (Rueckseite) 6 Seiten mit : 1: 1, 2, 3, 4 2: 1, 2, 6, 5 3: 1, 4, 8, 5 4: 7, 6, 5, 8 usw. Muster wird Textur genannt. Ein Texturelement heißt textel - Muster - Rauheit - Reflexion - Transparenz

Lichtquellen 4 Arten von Lichtquellen: - ambientes Licht - gerichtetes Licht - Punktlicht Lichtquellen befinden sich auch in der Szene Eigenschaften: Richtungsabhaengigkeit, Farbe, Entfernungsabhaengigkeit, Divergenz ... CaveDemo und TWaterDemo - Spotlicht

Kamera Position Blickrichtung Wo ist oben? Brennweite Durch Betrachtung der Szene mit Kamera werden alle Objekte wieder in ein neues Koordinatensystem ueberfuehrt. Koordinatensystem

Bildebene Bildschirm ist Ausschnitt Position im Raum Projektion auf die Bildebene Duerers Apparat muss her!

Rasterung Eckpunkte Normale + Lichtquellen Oberflächeneigenschaften Jetzt ist klar, wo Eckpunkte des Dreiecks auf dem Schirm landen. Man berechnet die Normale fuer jedes Dreieck (Spiegel) und ermittlet so, wie viel Licht reflektiert wird. Zusammenmit den Oberflächeneigenschaften ergibt sich die Farbe, in der das Pixel gesetzt wird.

Software-Beschleunigung Entfernung von - unsichtbaren Objekten - unsichtbaren Objektteilen - abgewandten Flächen Noch keine Hardwarebeschleunigung! Punkte projizieren, shaden und setzen ist teuer; und unnütz, wenn die Punkte am Ende nicht sichtbar sind. Alles, was am Ende eh nicht zu sehen ist, wird vorm Rastern weggeworfen. Die Geometrie wird gegen das ViewFrustum geclipped Level of Detail: Teapot in a football stadium problem! - unsichtbaren Flächenteilen LOD

Hardware-Beschleunigung Spezialchip: GPU Positionierung der Objekte Projektion der Objekte Spezielle Chips: GPU (Graphics processing unit) Bis 2 Milliarden Texel/s Rendern der Objekte Per Pixel Shading Bi- und Trilineare Filterung

Realismus I Multi Texture Mapping - Environment Mapping - Reflection Mapping Für Photorealismus: Diverse Effekte beim Shaden der Polygone, erhöhen den Realsimus: Environment Mapping: Small Pond Demo; Principles of Shading Reflection Mapping: Principles of shading Bump Mapping: s.o. Multi Texture: s.o. Shadow: - Bump Mapping - Shadow Mapping - Light Mapping

Realismus II Partikelsysteme Nebel Lens Flare Schatten projizieren Für Photorealismus: Effekte, die nichts mit den Polygonen der Objekte selbst zu tun haben: Partikelsystem, Plasma, Explosionen: TLWater; Grass; AquaNox Nebel: Creature, Chapel Lens Flare: Bei realer Kamera ist das Linsensystem zu sehen, wenn man in die Sonne guckt: Small Pond Schatten: Soldiers Das Bild wird abwechselnd für das rechte und das linke Auge gerendert und z.B. mit Shutterbrille passend ausgeblendet Load on demand: An der Tafel und DungeonSiege Dynamik: Statische Anteile lassen sich vorher berechnen: Serious Sam2 ABER: Real Animieren! Wenn die Bewegungen der Objekte und Figuren nicht flüssig und echt wirken, nützt all die Grafik nichts! Stereographische Projektion Load on Demand Dynamik

Zusammenfassung Rasante Entwicklung Spielebranche ist Entwicklungsmotor Hardware übernimmt immer mehr Aufgaben In 50 Jahren hat sich einiges getan! Viele bahnbrechende Technologien kommen aus den Spieleschmieden: ID. Software sells Hardware: Jetzt 3D ins Web!, wegen Absatzproblemen! Dadurch bleibt CPU frei für andere Aufgaben. Photorealismus steigt! Dankeschön für Aufmerksamkeit! Wie kann AG aussehen? Idee: Animation erstellen.