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3D-computergraphics

Mit 3D-Computergrafik soll erzeugen zweidimensional Bilder von dreidimensional Darstellungen von geometrischen Objekten.

3D-Bild erstellt mit Mixer 3D

Anwendungen

Computergrafik findet an mehreren Stellen Anwendung:

  • Informationen zur industriellen 3D-Konstruktionstechnik finden Sie unter Computer Aided Design
  • Vor dem Computerspiele. Die aktuelle Generation von Computerspielen ist stark von 3D-Computergrafiken abhängig, auch aufgrund der steigenden Kosten für Grafikkarten um schnell 3D-Grafiken zu generieren.
  • Film
  • für die Kunst

Computergestütztes Design

Im computergestützten Design spielt es modellieren von Objekten eine wichtige Rolle spielt. Während des Modellierungsprozesses sollte der Designer visuelles Feedback erhalten und hier spielt die 3D-Computergrafik eine sehr wichtige Rolle. Eine effiziente Darstellung komplexer geometrischer Modelle ist wichtig.

Computerspiele

In Computerspielen spielt die Computergrafik eine wichtige Rolle bei der Schaffung einer Atmosphäre in einem Spiel. Indem sie den Spieler in realistische oder fantasievolle Welten entführen, versuchen sie das Spielerlebnis zu steigern. Je detaillierter das Bild ist, desto besser ist dieses Erlebnis und Computerspiele haben einen unbefriedigten Appetit auf bessere Grafiken. Computerspiele üben heute einen erheblichen Druck auf die Weiterentwicklung der Grafikkartentechnologie aus.

Film

Animationsfilme vollständig per Computer erstellt sind heute sehr beliebt. Bekannte Studios, die Computeranimationsfilme machen, sind: Pixar (Spielzeuggeschichte, Monster AG., Findet Nemo, Die Unglaublichen, Autos), Pazifik-Datenbilder (Shrek), Blue Sky Studios (Eiszeit).


Da Computerbilder heutzutage jedoch so realistisch sind, wird es auch üblich Spezialeffekte in normalen Filmen verwendet. Dies geschieht oft so realistisch, dass es völlig unmöglich ist, zu sehen, welche Teile echt sind und welche Teile mit dem Computer hergestellt werden. Eine gängige Technik zum Zusammenführen von Realbildern und Computerbildern ist die Aufnahme für a blauer Bildschirm. Zunächst wird eine Szene vor einem Bluescreen gedreht. Später werden die blauen Teile des Films mit 3D-Computerbildern ausgefüllt. Die erste vollständig mit Computeranimation erstellte Filmfigur war der Drachen aus dem Film Drachenherz, ein weiteres Beispiel ist gollum von Der Herr der Ringe, die vollständig mit dem Computer erstellt wird.

Kunst

Neben traditionellen Formen wird der Computer verwendet, um künstlerische Bilder zu erstellen, wie z Malerei und Fotografie erwies sich als hervorragendes neues Werkzeug für die Kunstherstellung. Computer bieten dem Künstler eine Vielzahl von kreativen Werkzeugen, um schöne Bilder zu erstellen. Computer scheinen sowohl für die Gestaltung fotorealistischer als auch nicht fotorealistischer Kunst geeignet zu sein.

Rendering-Techniken

EIN Rendering-Technik ist der grundlegende Algorithmus, mit dem die dreidimensionale Welt auf eine zweidimensionale Leinwand projiziert wird. Die verwendeten Techniken lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

  • Bildbasierte Methoden - Hier für jeden Pixel des Bildes bestimmt, welche Farbe es hat. Dieses Verfahren wird häufig verwendet, um realistische Bilder von 3D-Umgebungen/Objekten zu erzeugen, und wird gewählt, wenn die Erzeugungszeit der Qualität des endgültigen Bildes untergeordnet ist. Dazu gehören auch die sog Raytracing die von vielen 3D-CAD- und Modellierungsprogrammen verwendet wird, um endgültige Bilder zu generieren.
  • Objektbasierte Methoden - Anstatt jedes Pixel zu durchlaufen, wird jedes Objekt übergeben und auf das Bild projiziert. Hier ist es üblich, alle abzubildenden Geometrien in Dreiecke zu übersetzen, die dann durch die Rasterisierer auf dem Bildschirm gezeichnet werden. Dies kann nun mittels 3D-Computerhardware passieren, was den Prozess erheblich beschleunigt.

Aktuelle Computerspiele verwenden nur diese Methode. Vergangene Spiele wie Wolfenstein und Untergang verwenden Sie eine Variante bildbasierter Methoden namens Raycast.

Rendern von Scanlinien

Beim Scanline-Rendering ist die Bildspeicher, Framebuffer Zeile für Zeile. Jede Zeile ist in Stücke unterteilt, je nachdem, zu welchem ​​Objekt dieses Stück gehört. Diese Stücke werden dann gefärbt. Die Qualität des Scanline-Renderings hängt stark von den Algorithmen ab, die zur Berechnung der Farben der Objekte verwendet werden. Biene flache Färbung Jedes Objekt hat eine feste Farbe und die Qualität ist sehr schlecht. Techniken, die den Lichteinfall auf ein Objekt beinhalten, sind Gouraud-Färbung und Phong-Fleck. Biene Texturprojektion zweidimensionale Bilder werden auf die Objekte projiziert. Heutzutage kann die Farbe mit einem sogenannten . geändert werden Pixelshader, ein kleines Programm, das für jedes Pixel abläuft, kann ebenfalls berechnet werden.

Raycasting, Raytracing und stochastisches Raytracing

Raytracing basiert auf einer Kamera und Lichtquellen, die im darzustellenden Raum vorhanden sind. Raytracing ist ein Sammelbegriff für viele verschiedene Algorithmen zum Rendern einer dreidimensionalen Szene. Der sogenannte Ray-Casting-Algorithmus schießt einen Strahl der Kamera durch jedes Pixel, um zu bestimmen, welches Objekt im Raum zuerst getroffen wird. Dieses Objekt ist dann in diesem bestimmten Pixel sichtbar. Raytracing selbst fügt Lichteffekte hinzu. Durch das Senden von Lichtstrahlen vom Objekt, das durch ein Pixel gesehen wird, zu den Lichtquellen, kann man Effekte wie diffuses Licht, Lichter, Schatten, perfekte Reflexionen und Brechungen berechnen. Stochastisches Raytracing geht noch einen Schritt weiter und schießt zufällige Strahlen durch den Weltraum. Wenn man all diese Strahlen verfolgt, kann man ein sehr genaues Bild berechnen: weiche Schatten, unscharfe Reflexionen und Brechungen, Unschärfe durch Linsen oder Fokusabstand der Kamera. Im Prinzip ist stochastisches Raytracing in der Lage, ein Bild zu erzeugen, das wie ein Foto der Szene aussieht. Stochastisches Raytracing wird daher auch als fotorealistischer oder globaler Belichtungsalgorithmus bezeichnet.

Radiosität

Radiosität ist ein globaler Belichtungsalgorithmus, der grundsätzlich nicht die Position der Kamera im Raum berücksichtigt, wie es beim Raytracing der Fall ist. Der Radiosity-Algorithmus berechnet genau, wie viel Licht er für jede Oberfläche (zB Polygone) in der Szene emittiert. Anschließend können alle diese Oberflächen mit einem Scanline-Renderer oder einem Raycasting-Algorithmus visualisiert werden. Der Berechnungsschritt des Radiosity-Algorithmus besteht darin, die Szene in kleine Ebenen oder Polygone zu unterteilen. Für jedes Polygon wird eine Energiebilanz erstellt: Die von diesem Polygon emittierte Lichtenergie ist gleich der auf dieses Polygon einfallenden und anschließend reflektierten Lichtmenge. Daraus entsteht ein System mathematischer Gleichungen, die mit geeigneten Techniken gelöst werden.

Diese Arbeitsweise eignet sich sehr gut zur Berechnung indirekter diffuser Lichtinteraktionen, das heißt, Objekte im Raum werden über Mehrfachreflexionen beleuchtet. So gibt beispielsweise eine Lampe an der Decke Licht ab, das vom Boden reflektiert wird und dann auf die Tischunterseite trifft, so dass die Tischunterseite effektvoll eingefärbt wird. Der Radiosity-Algorithmus kommt mit Reflexionen und Brechungen nicht gut zurecht, obwohl es Varianten gibt, die dies in geringerem Maße können.

Der Radiosity-Algorithmus wurde hauptsächlich in den 1980er und 1990er Jahren entwickelt und erforscht und ist heute (2006) als allgemeiner fotorealistischer Rendering-Algorithmus nicht mehr verwendet worden. Dafür ist stochastisches Raytracing viel besser geeignet. Der Radiosity-Algorithmus wird jedoch immer noch verwendet, um bestimmte Teile des Bildes oder in bestimmten Domänen (z. B. Architektur) zu berechnen.

Komponenten

Räumliche Layouts

sehen geometrische Modellierung.

Bestimmung der Sichtbarkeit

Siehe auch