3D Verfahren

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Script for 3D procedures in Multimedia System Presentation

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3D Verfahren

  1. 1. 3D-Verfahren<br />Autor: Christian Kehl<br />1<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />
  2. 2. Gliederung<br />Rasterisierung und Polygongrafik<br />Voxelgrafik<br />Raytracing<br />Weitere 3D-Darstellungsverfahren<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />2<br />
  3. 3. Rasterisierung und Polygongrafik<br />Allgemeine Grafikpipeline<br />Shader<br />DirectX<br />Erklärung Grafikschnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />OpenGL<br />Erklärung Grafikschnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />Beispiele<br />Vergleich OpenGL-DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />3<br />
  4. 4. Allgemeine Grafikpipeline<br />Konsekutiver Aufbau<br />Geometrie<br />Rasterung<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />4<br />
  5. 5. Rasterisierung und Polygongrafik<br />Allgemeine Grafikpipeline<br />Shader<br />DirectX<br />Erklärung Grafikschnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />OpenGL<br />Erklärung Grafikschnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />Beispiele<br />Vergleich OpenGL-DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />5<br />
  6. 6. Shader<br /> Definition:<br />Shadersind Assembler Programme die direkt im Grafikprozessor der Grafikkarte ausgeführt werden. Unter bestimmten Umständen können diese aber auch per Software emuliert werden, was aber sehr langsam ist und vermieden werden sollte.<br />[http://www.online-tutorials.net/directx/vertex-shader-pixel-shader-untersttzung-in-directx-9/tutorials-t-7-2.html]<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />6<br />
  7. 7. Shader<br />Vertex-Shader-> Vertex-Operationen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />7<br />
  8. 8. Shader<br />Pixel-Shader -> Per-Pixel-Operationen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />8<br />
  9. 9. Shader<br />Geometry-Shader -> Verformung von Vertex- und Pixelinformationen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />9<br />
  10. 10. Rasterisierung und Polygongrafik<br />Allgemeine Grafikpipeline<br />Shader<br />DirectX<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />OpenGL<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />Beispiele<br />Vergleich OpenGL-DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />10<br />
  11. 11. DirectX<br />Standardschnittstelle für Windows Games<br />Schnittstellenskizze<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />11<br />
  12. 12. Erklärung der Schnittstelle<br />DirectX Komplettpaket für Multimedia-Anwendungen<br />Direct3D unterteilt in Immidiate Mode (Grafikprogrammierung) und Retained Mode (Interface und 2D)<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />12<br />
  13. 13. Programmierung<br />Initialisierung<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />13<br />
  14. 14. Programmierung<br />Render-Funktion<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />14<br />
  15. 15. Programmierung<br />Message-Handling<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />15<br />
  16. 16. Programmierung<br />Main-Funktion<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />16<br />
  17. 17. Entwicklung<br />Bisheriger Standard ist DirectX 9.0c (letzte Version Windows XP)<br />DirectX 10.0:<br />Erweiterte Funktionalität der Shader<br />Neue Architektur<br />Neueste Version: DirectX 10.1<br />Geplantes Update auf Version 11 mit Windows 7<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />17<br />
  18. 18. Rasterisierung und Polygongrafik<br />Allgemeine Grafikpipeline<br />Shader<br />DirectX<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />OpenGL<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />Beispiele<br />Vergleich OpenGL-DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />18<br />
  19. 19. OpenGL<br />Schnittstelle für jede Art von Polygongrafik (Industrie, CAD, Medizin, Spiele)<br />Schnittstellenskizzen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />19<br />
  20. 20. Erklärung der Schnittstelle<br />Betriebssystemunabhängig<br />Besteht aus verschiedenen Komponenten<br />Renderpipeline (Version 2.1)<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />20<br />
  21. 21. Programmierung<br />OpenGL ist StateMachine<br />Wechsel des Programmierstils bedingt durch Einzelkomponenten<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />21<br />
  22. 22. Entwicklung<br />Bis August 2008 aktuellste Version: 2.1<br />Wechsel der Architektur mit Version 3.0 (August 2008)<br />Version 3.1 geplant für 2009<br />Entwicklung langsamer als bei DirectX, da Änderungen der Architektur nicht Kompatibel mit alten Versionen<br />Computergrafik in Industrie und Wissenschaft jedoch nachhaltiger als Spiele<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />22<br />
  23. 23. Beispiele<br />Vertex Array Objects & Displacement Mapping<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />23<br />
  24. 24. Beispiele<br />32-Bit Floating Point Precision (High Definition Range-Rendering)<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />24<br />
  25. 25. Rasterisierung und Polygongrafik<br />Allgemeine Grafikpipeline<br />Shader<br />DirectX<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />OpenGL<br />Erklärung Schnittstelle<br />Programmierung<br />Entwicklung<br />Beispiele<br />Vergleich OpenGL-DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />25<br />
  26. 26. Vergleich OpenGL - DirectX<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />26<br />
  27. 27. Voxelgrafik<br />Definition<br />Wirkprinzip<br />Marching Cubes<br />Octrees<br />Approximation durch Diskretisierung<br />Beispiele<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />27<br />
  28. 28. Definition<br />Voxel = Volume Pixel = „Pixel, der ein Volumen besitzt“  räumliches Gebilde<br />jedes Objekt ist aus Voxeln aufgebaut, wie Bilder aus Pixeln aufgebaut sind (Prinzip der atomaren Einheit)<br />Zerlegung der gesamten Szenerie in diese atomaren Einheiten<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />28<br />
  29. 29. Voxelgrafik<br />Definition<br />Wirkprinzip<br />Marching Cubes<br />Octrees<br />Approximation durch Diskretisierung<br />Beispiele<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />29<br />
  30. 30. Wirkprinzip<br />Aufbau der Szenerie aus einer Menge von Voxel-Objekten<br />Detailierte Oberflächenstruktur und einfache Kollisionserkennung als Vorteil von Voxeln<br />Da Rechenintensives Verfahren  Notwendigkeit von verbesserten Darstellungsalgorithmen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />30<br />
  31. 31. Marching Cubes<br />Schnittflächenberechnung<br />Wenn Großteil des Voxels innerhalb des geteilten Volumens, dann Darstellung (Schwellwert nötig)<br />Transformation in Polygongrafik; automatische Normalvektor-Berechnung<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />31<br />
  32. 32. Octrees<br />Aufteilung eines Voxelobjekts in jeweils 8 Teilobjekte bis Voxelgröße<br />Streng rekursiver Algorithmus<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />32<br />
  33. 33. Approximation durch Diskretisierung<br />Verbesserung Marching Cubes<br />Schnittflächenberechnung nur noch an markanten Punkten<br />Optimierung von Laufzeit und Speicheraufwand<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />33<br />
  34. 34. Voxelgrafik<br />Definition<br />Wirkprinzip<br />Marching Cubes<br />Octrees<br />Approximation durch Diskretisierung<br />Beispiele<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />34<br />
  35. 35. Beispiele<br />Konzept aus der Modellierung in der Medizin<br />Computertomographie<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />35<br />
  36. 36. Beispiele<br />Weiteres Beispiel aus Medizin: 3D-Röntgenaufnahmen<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />36<br />
  37. 37. Beispiele<br />Ende 90er Jahre: Einzug in die Spiele-Industrie<br />Damals Ersatz für Partikelsystem<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />37<br />
  38. 38. Raytracing<br />Globales Beleuchtungsmodell<br />Erläuterung Prinzip Raytracing<br />Einsatzgebiete<br />Intel Raytracing<br />Einführung<br />Demos<br />Wirkprinzip<br />Wertung und Probleme<br />Bounding Boxes<br />Grafikqualität<br />Wegfall der Grafikkarte<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />38<br />
  39. 39. Globales Beleuchtungsmodell<br />Im Gegensatz zur Raster-Darstellung, Auswertung der Grafik einer kompletten Szene<br />Szene = Bildraum, gekennzeichnet durch Breite, Höhe (Auflösung oder selbstgeschaffenes Sichtfenster) und Tiefe (muss selbst bestimmt werden)<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />39<br />
  40. 40. Raytracing<br />Globales Beleuchtungsmodell<br />Erläuterung Prinzip Raytracing<br />Einsatzgebiete<br />Intel Raytracing<br />Einführung<br />Demos<br />Wirkprinzip<br />Wertung und Probleme<br />Bounding Boxes<br />Grafikqualität<br />Wegfall der Grafikkarte<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />40<br />
  41. 41. Erläuterung Wirkprinzip Raytracing<br />Raytracing = Strahlenrückverfolgung<br />Umgekehrte Technik der Realität<br />Ursprünglich als Sichtbarkeits-Algorithmus gedacht<br />Berücksichtigung teilweise korrekter physikalischer Effekte (Refraktion, Reflektion, Absorption)<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />41<br />
  42. 42. Raytracing<br />Globales Beleuchtungsmodell<br />Erläuterung Prinzip Raytracing<br />Einsatzgebiete<br />Intel Raytracing<br />Einführung<br />Demos<br />Wirkprinzip<br />Wertung und Probleme<br />Bounding Boxes<br />Grafikqualität<br />Wegfall der Grafikkarte<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />42<br />
  43. 43. Einsatzgebiete<br />Ersatz für Produktion teurer, gefertigter Prototypen durch CADs<br />Anwendung in aufwendigen Filmproduktionen<br />Vermehrte Forschung von Chipherstellern im Bereich Games<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />43<br />
  44. 44. Einsatzgebiete<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />44<br /><ul><li> Preisträger bei Ausschreibung um Beispiele für Raytracing
  45. 45. Raytracing Studie von NVIDIA
  46. 46. Sept. 2008
  47. 47. 4 parallele Grafikkarten; org. Auflösung 1920x1028
  48. 48. ATI Raytracing ähnlich dem Verfahren in „Transformers“
  49. 49. 2008 erstellt</li></li></ul><li>Einsatzgebiete<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />45<br /><ul><li> Ein paar Sachen zu FF Movie</li></li></ul><li>Einsatzgebiete<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />46<br /><ul><li> Wettersimulation
  50. 50. anspruchsvolle Simulationen von physikalischen Vorgängen
  51. 51. Detailgetreue Geometriedarstellung</li></li></ul><li>Einsatzgebiete<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />47<br /><ul><li> Detailmodell neuer Produkte
  52. 52. Naturgetreue Texturen</li></li></ul><li>Raytracing<br />Globales Beleuchtungsmodell<br />Erläuterung Prinzip Raytracing<br />Einsatzgebiete<br />Intel Raytracing<br />Einführung<br />Demos<br />Wirkprinzip<br />Wertung und Probleme<br />Bounding Boxes<br />Grafikqualität<br />Wegfall der Grafikkarte<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />48<br />
  53. 53. Intel Raytracing - Einführung<br />Aktueller Entwicklungsbereich<br />Antrieb durch Diplomarbeit an einer Raytracing-Version von Quake4<br />Aufwandsabschätzungen belegen Realisierbarkeit<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />49<br />
  54. 54. Demos & Wirkprinzip<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />50<br /><ul><li> Korrekte Lichtberechnung & AA
  55. 55. Refraktion (Lichtbrechung)</li></li></ul><li>Demos & Wirkprinzip<br />Schattenberechnung<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />51<br />
  56. 56. Raytracing<br />Globales Beleuchtungsmodell<br />Erläuterung Prinzip Raytracing<br />Einsatzgebiete<br />Intel Raytracing<br />Einführung<br />Demos<br />Wirkprinzip<br />Wertung und Probleme<br />Bounding Boxes<br />Grafikqualität<br />Wegfall der Grafikkarte<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />52<br />
  57. 57. Bounding Boxes<br />Reduzierung Rechenaufwand von Kollisionserkennung<br />Notwendiger Einsatz von „BoundingSpheres“ zur Kollisionserkennung<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />53<br />
  58. 58. Grafikqualität<br />Schattenberechnung schneller, jedoch weiterhin Vollschatten<br />Keine Nutzung von abschwächenden Schatten<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />54<br />
  59. 59. Wegfall der Grafikkarte<br />Raytracing sehr Prozessorlastich<br />Physikberechnung auf eigenem Chip sinnvoll<br />Auswertung Effekte auf Grafikkarte sinnvoll<br /> Hauptaufgabe des Prozessors ist Generierung von Rays<br />Forschung im Bereich spezialisierter RT-Karten<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />55<br />
  60. 60. Quellenverzeichnis<br />OpenGLRedBook / YellowBook<br />Scripte:<br />TU Darmstadt<br />Universität Saarbrücken<br />TU Berlin<br />TU München<br />TU Graz<br />TU Wien<br />University ofCaliforniaand San Diego<br />University of Virginia<br />University of Sydney<br />www.computerbase.de<br />www.tomshardware.com<br />http://www.devmaster.net/articles/raytracing/<br />http://private.homepages.intershop.de/rene/povray/how-to/<br />www.siggraph.org<br />http://msdn.microsoft.com<br />www.informatik-forum.at<br />http://wiki.delphigl.com/index.php/Hauptseite<br />www.ozone3d.net<br />www.songho.ca<br />http://nehe.gamedev.net<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />56<br />
  61. 61. Quellenverzeichnis<br />Wissen:<br />http://graphics.cs.uni-sb.de/RTRT.old/<br />http://raytracey.blogspot.com/2008/08/otoy-transformers-and-ray-tracing.html --> Skorpion-Video<br />http://www.vislab.usyd.edu.au/<br />http://dusanwriter.com/?p=840 <br />http://www.computerbase.de/artikel/software/2007/bericht_raytracing_spielen/drucken/ <br />http://www.online-tutorials.net/directx/shader-konzept/tutorials-t-7-77.html <br />http://www.at-mix.de/direct3d.htm <br />http://lexikon.calsky.com/de/txt/p/pi/pixel_shader.php <br />http://www.tweakpc.de/news/14470/opengl-3-0-spezifikationen-verabschiedet/<br />http://www.cs.sunysb.edu/~vislab/projects/volume/Papers/index.html<br />www.songho.ca<br />http://vis.ucar.edu/~scheitln/viz/portfolio.html<br />Hochschule Wismar - Technik Multimedialer Systeme<br />57<br />

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