3D-Computergrafik
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Die 3D-Computergrafik ist ein Teilbereich der Computergrafik. Sie beschäftigt sich mit der computergestützten Erzeugung von Bildern, deren Inhalt sich räumlich beschreiben lässt.
Die 3D-Computergrafik teilt sich in zwei große Bereiche: die Modellierung und das Rendern. Modellierung bezeichnet das Erstellen einer sogenannten Szene, die Objekte, Lichtquellen und Materialien des zu erzeugenden Bildes enthält. Beim Rendern (auch: Bildsynthese) wird aus einer Szene ein Bild erstellt.
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[Bearbeiten] Modellierung
Szenen werden meist weitgehend von Hand erstellt, können aber auch das Resultat von Berechnungen sein oder per Laserscanning oder mit bildgebenden Verfahren (z. B. Computertomografie) gewonnen werden. Die Software, die den Anwender bei der Erstellung und Bearbeitung einer Szene unterstützt, nennt man 3D-Modellierungswerkzeug.
[Bearbeiten] Datenrepräsentation
Eine 3D-Szene enthält die Beschreibung von Objekten. Diese lassen sich prinzipiell auf zwei verschiedene Weisen definieren: In der Oberflächengrafik werden die Objekte aus Oberflächen zusammengesetzt, in der Volumengrafik bestehen sie aus Voxeln.
[Bearbeiten] Oberflächengrafik
In der Oberflächengrafik verbreitet ist die Zusammensetzung von Objekten aus folgenden grafischen Primitiven:
- Polygone werden durch drei oder mehr Punkte eindeutig beschrieben, die dreidimensionale Koordinaten haben. Weiterhin ist die Angabe eines Normalenvektors üblich, aus dessen Richtung die sichtbare Seite des Polygons bestimmt wird. Oft werden auch Dreiecke an Stelle von Polygonen verwendet. Durch Meshing kann eine mathematisch beschriebene Oberfläche, etwa eine Kugel, durch Polygone angenähert werden; bei Dreiecken nennt man diese Technik Triangulation.
- NURBS sind eine bestimmte Form sogenannter Splines. Ein Spline ist eine Kurve, die durch mehrere Punkte im Raum exakt definiert ist. Mit einem Netz aus NURBS lässt sich eine Fläche definieren. Diese Darstellungsweise hat den Vorteil, dass sich sehr komplexe Flächen über verhältnismäßig wenige Punkte definieren lassen. Um die Fläche darzustellen rechnet der Computer diese letztendlich in Polygone um. NURBS eignen sich besonders für gekrümmte Flächen, da diese auch bei starker Vergrößerung nicht „kantig“ werden. NURBS werden meist entweder vor oder während des Renderns in kleine Polygone umgewandelt.
- Punktwolken sind eine relativ neue Methode der Objektbeschreibung, die gegenüber Dreiecken den Vorteil bieten, dass sie bei großen Objekten weniger Speicherplatz verbrauchen.
[Bearbeiten] Volumengrafik
Voxeldaten sind gitterförmig angeordnete Stichproben der Dichte eines Objektes. Diese Form der Datenrepräsentation ist besonders geeignet für Objekte, die keine klaren Umrisse haben, etwa Wolken. Da bildgebende Verfahren wie Computertomografie und Magnetresonanztomografie Voxeldaten erzeugen, ist die Volumengrafik hauptsächlich für die Medizin von Bedeutung.
Mit relativ einfachen Techniken ist es möglich, Oberflächengrafiken in Volumengrafiken umzuwandeln. Für den umgekehrten Weg benötigt man komplexere Algorithmen wie beispielsweise Marching Cubes und Techniken der Dreiecksdezimierung.
[Bearbeiten] Modellierverfahren
Es gibt in der Oberflächengrafik verschiedene Modellierverfahren, die die Erzeugung komplexer Objekte vereinfachen. Einige Beispiele:
- Sweeping erzeugt ein Objekt aus der Teilmenge des Raums, die von einem vorhandenen Objekt während der Bewegung entlang einer bestimmten Kurve eingenommen wird.
- Bei CSG (Constructive Solid Geometry) werden mathematisch beschreibbare Objekte (Kugeln, Quader, Zylinder usw.) als Primitiven verwendet. Im Gegensatz zu Polygonen und NURBS beschreiben diese Objekte nicht nur ein Fläche, sondern ein Volumen. Diese Volumina können nun mit Hilfe boolescher Algebra kombiniert werden. Zur späteren Darstellung werden die sich ergebenden Oberflächen trianguliert, oder es wird direkt mit den mathematischen Beschreibungen gearbeitet. Letzteres erlaubt eine sehr detaillierte Darstellung auch bei sehr hohen Auflösungen.
[Bearbeiten] Szenenformate
3D-Grafikprogramme speichern Primitiven oft hierarchisch oder listenförmig in einem bestimmten Dateiformat ab. Eine weitere Form der Speicherung ist die mittels Programmcode. So beschränkt sich zum Beispiel das VRML-Format nicht auf die bloße Sammlung von Primitiven, sondern erlaubt die Beschreibung einer 3D-Szene mit einer Art Programmiersprache.
[Bearbeiten] Rendern
Eine Szene muss gerendert werden, um aus ihr ein Bild – meist eine Rastergrafik – zu erzeugen. Beim so erzeugten Bild handelt es sich nicht um ein echtes „3D-Bild“, da ihm die stereoskopische Wirkung fehlt. Das Rendern findet – im Gegensatz zur Modellierung – automatisch statt.
Die beim Rendern zum Einsatz kommenden Verfahren lassen sich in drei Gruppen aufteilen. Einen Sonderfall stellt die sogenannte Volumengrafik dar, bei der – im Gegensatz zur Oberflächengrafik – die zu rendernden Daten ausschließlich als Voxelgitter vorliegen.
[Bearbeiten] Verdeckungsberechnung
Die Verdeckungsberechnung ist ein grundlegendes Problem der 3D-Computergrafik. Sie bestimmt, welche Teile von Objekten der Szene bei der Projektion auf die zweidimensionale Anzeigefläche sichtbar sind.
Die heute häufigsten Verfahren zur Verdeckungsberechnung beim Rendern sind der Z-Buffer-Algorithmus und das Raytracing. Ersteres wird vor allem bei Echtzeitanwendungen benutzt und verwendet Scanline Rendering zur Rasterung der Primitiven.
[Bearbeiten] Globale Beleuchtungsmodelle
Globale Beleuchtungsmodelle berechnen die Lichtverteilung innerhalb einer Szene. Die bei weitem bekanntesten und am häufigsten genutzten Verfahren sind Radiosity sowie auf Raytracing aufbauende Algorithmen.
Die Wahl des globalen Beleuchtungsmodells hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und den „Realismus“ des gerenderten Bildes. Die Einbeziehung aller Möglichkeiten der Lichtausbreitung nennt man Globale Beleuchtung. Die bekanntesten Verfahren dazu sind Path Tracing und mit Photon Mapping kombiniertes diffuses Raytracing, unter bestimmten Bedingungen auch Radiosity.
[Bearbeiten] Shading
Als Shading bezeichnet man die Simulation der Oberflächeneigenschaften von Objekten. Die mikroskopischen Eigenschaften der Oberfläche, die etwa die „Rauheit“ bestimmen, lassen sich durch lokale Beleuchtungsmodelle beschreiben, die mehr oder weniger auf einer physikalischen Grundlage aufbauen.
Texture Mapping erlaubt örtliche Veränderungen der Materialbeschaffenheit einer Oberfläche, die mittels einer Rastergrafik definiert werden. Damit lässt sich ein Objekt etwa mit einem Bild „beziehen“. Mit abgewandelten Verfahren wie Bump Mapping und Displacement Mapping können auch Erhebungen und Vertiefungen der Oberfläche definiert werden, ohne sie einzeln modellieren zu müssen.
Die Streuung des Lichts innerhalb von transluzenten Körpern wird Volumenstreuung genannt. Sie lässt sich mittels neuartiger Verfahren effizient simulieren.
[Bearbeiten] Anwendungen
Die beim Rendern verwendeten Verfahren lassen sich in zwei große Gruppen unterteilen, abhängig davon, ob Animationen in Echtzeit berechnet werden sollen oder ob die möglichst detailgetreue Nachbildung der Wirklichkeit erwünscht ist. Die ersteren Verfahren bezeichnet man als Echtzeitrendern, letztere als (foto)realistische Bildsynthese oder 3D-Computergrafik.
[Bearbeiten] Echtzeit-Rendern
Wesentlich zur Entwicklung des Echtzeitrenderns hat der ursprünglich von Silicon Graphics eingeführte Grafikstandard OpenGL beigetragen, der die Möglichkeiten moderner Grafikhardware nutzt. Die aktuellen Neuerungen von OpenGL und Microsofts DirectX finden hauptsächlich in modernen Computerspielen ihre Anwendung. Außer DirectX und OpenGL gab es noch andere Ansätze, wie zum Beispiel Glide, die sich allerdings nicht durchsetzen konnten. Im professionellen Bereich hat OpenGL die größte Bedeutung, da DirectX stark auf die Entwicklung von Spielen optimiert ist, nur unter Microsoft Windows verfügbar ist (was den Einsatz unter anderen Betriebssystemen und Architekturen sowie in Renderfarmen verhindert) und des Weiteren kein offener Standard ist, den man kommerziell legal implementieren könnte.
Eine wichtige Anwendung der 3D-Computergrafik ist die Darstellung von CAD-Volumenmodellen, die dann zum Beispiel auch für Festigkeitsberechnungen, ohne Zeichnungen direkt zur Fertigung oder im Fahrzeugbau für Crashsimulationen verwendet werden können.
Im medizinischen oder wissenschaftlichen Bereich spielt die Volumengrafik für bildgebende Verfahren eine große Rolle. Zwei weitere große Anwendungsbereiche der 3D-Computergrafik sind die virtuelle Realität und die erweiterte Realität. Beide legen ihr Hauptaugenmerk auf die Interaktion mit dem Betrachter, etwa das Verändern der Perspektive bei einer Drehung des Kopfes. Während in der virtuellen Realität die Welten komplett im Rechner generiert werden, beschäftigt sich die erweiterte Realität mit dem Einbinden von künstlichen Objekten in die Realität (zum Beispiel über Datenbrillen).
Aufgrund der drastisch gestiegenen Leistung von 3D-Beschleunigern in den letzten Jahren lassen sich immer hochwertigere Bilder in Echtzeit berechnen, dennoch kann die physikalische Richtigkeit zwangsläufig nur angenähert werden. Die Bilder wirken daher oft plausibel, erreichen aber nicht die Qualität der realistischen Bildsynthese.
[Bearbeiten] Realistische Bildsynthese
Die 3D-Computergrafik findet auch zur Erzeugung von hochwertigen Spezialeffekten oder Computeranimationen Verwendung, etwa in der Werbe- und Filmindustrie (Computer Generated Imagery). Weitere, eher technische Anwendungsbereiche sind die Simulation in der Architektur oder Optik. Darin wird oft auf eine möglichst große Detailtreue und Realismus Wert gelegt; Echtzeitfähigkeit ist nicht unbedingt erforderlich.
Einen Spezialfall stellen sogenannte nicht-fotorealistische Techniken dar, bei denen zum Beispiel aus ästhetischen Gründen Verfremdungen erzeugt werden – etwa Cel Shading für comicähnliche Bilder. Sie erfolgen meist in einem Nachbearbeitungsschritt der Bildsynthese.
[Bearbeiten] Literatur
- Alan Watt: 3D Computer Graphics, 3. Auflage. Pearson/Addison-Wesley 2000, ISBN 0-201-39855-9
- Tomas Akenine-Möller, Eric Haines: Real-Time Rendering, AK Peters, 2nd edition 2002, ISBN 15-6881-182-9
- Philip Dutré, Philippe Bekaert, Kavita Bala: Advanced Global Illumination. AK Peters 2003, ISBN 15-6881-177-2
[Bearbeiten] Weblinks
Bedeutende Konferenzen zum Thema:
- SIGGRAPH (siehe auch SIGGRAPH)
- Eurographics (siehe auch Eurographics)
- Computergrafik suche
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