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