Non-Photorealistic Rendering

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2 Übersicht 1. Motivation und Anwendungen 2. Techniken - Cel Shading - Konturlinien - Hatching

3 Einführung Traditionelle Computergraphik Ziel: Fotorealismus

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6 Einführung Motivation Bewusste Vermeidung von Fotorealismus Inspiration: Kunst, technische Illustration

7 Einführung Anwendungen Wissenschaft/Technik Verständlichkeit von Graphiken Komplexe Datenmengen

8 Einführung Anwendungen Digitale Kunst Simulation künstlerischer Medien

9 Einführung Anwendungen Unterhaltung Nachahmung künstlerischer Stile/Techniken

10 Einführung Anwendungen z.b.: Tangled Vorbild Ölgemälde im Rococostil

11

12 Einführung Anwendungen Videospiele:

13 Cel Shading Name von cel (kurz für celluloid) Transparente Folien Verwendung in traditioneller, handgezeichneter Animation Auch Toon Shading

14 Cel Shading 3D Szene -> 2D Cartoon Schattierungen nicht glatt sondern abgestuft

15 Cel Shading Beleuchtung Vereinfachtes Beleuchtungsmodell Wenn cosα < ε Beleuchte Sonst beleuchte Erweiterbar auf mehrere Stufen

16 Cel Shading Beleuchtung

17 Cel Shading Implementierung auf programmierbarer Hardware straightforward Shader berechnet Cosinus Beleuchtungswert aus 1D Textur oder einfach hardcoded auf älterer Hardware mit Workaround Beleuchtung und Blending aus Cosinus in Software pro Vertex berechnen Als Texturkoordinate für 1D Textur verwenden

18 Cool-To-Warm Shading Ähnliches Verfahren Wissenschaftliche Anwendungen Details und Form wichtiger als Realitätsnähe

19 Beleuchtung mit Farbverlauf Implementierung: cosα als Interpolationsfaktor Texturkoordinate

20 Konturlinien

21 Konturlinien Klassifizierung Object Space Konturen werden in der 3D Szene selbst gefunden Image Space Konturen werden in gerenderten Bildern der Szene gefunden Hybrid Verfahren verbindet Object und Image Space Techniken

22 Konturlinien Hybrid Beispielhaftes Hybridverfahren Front Face Culling Objekt als Drahtgitter zeichnen (Linienbreite > 1 px) Back Face Culling Objekt zeichnen

23 Konturlinien Image Space Image Space Verfahren Überlegung: Konturlinien normalerweise an Kanten Kanten an Grenzen zwischen Objekten oder Flächen Grenzen zwischen Objekten über Tiefenwerte Grenzen zwischen Flächen über Normalen

24 Konturlinien Image Space Kantenerkennung in Depth/Normal Map mit Sobel-Operator

25 Konturlinien Compositing Schattierte Szene und Konturen zusammenfügen

26 Hatching Schraffur Schattierung durch viele feine Linien -> Räumlichkeit Variation durch Dichte Strichrichtung Strichstärke

27 Hatching Herausforderungen Echtzeitfähigkeit Gleichmäßige Animation (frame-to-frame) weiche Übergänge Unterschiedliche Strichstile

28 Hatching Verfahren Texturen Strich Ergebnis Vorberechnung Modell Echtzeit

29 Hatching Tonal Art Maps (TAM) vorberechnete Sequenz von Texturen Ausnutzung von Mip-Mapping Texturen für abgestufte Tonwerte geschicktes Mischen <- Skalierung -> <- Tonwerte ->

30 Hatching Tonal Art Maps Stroke Nesting Property: Alle Striche aus helleren/ gröberen Stufen auch in jeder dunkleren/ feineren Stufe <- Skalierung -> <- Tonwerte ->

31 Hatching Stroke Nesting Property

32 Hatching TAM Erzeugung Um Nesting Property zu erfüllen Von hell zu dunkel Von grob zu fein

33 Hatching TAM Erzeugung Beginnend bei hellster und gröbster Stufe Füge zufällige Striche hinzu variieren in Länge und Ausrichtung jeder Strich auch zu dunkleren / feineren Stufen so lange bis Durchschnittstonwert erreicht

34 Hatching TAM Erzeugung Problem: Völlig zufällige Verteilung meist nicht gleichmäßig Generiere viele mögliche Kandidaten wähle daraus am besten passenden Kriterien für Kandidaten: Beitrag zum Erreichen des Zieltonwertes gleichmäßige Verteilung

35 Hatching TAM Erzeugung Beitrag zum Zieltonwert: Subtrahiere Durchschnittstonwert ohne Kandidat von Durchschnitt mit Kandidat

36 Hatching TAM Erzeugung Für jeden Kandidaten k i und jede Stufe s j Ermittle Durchschnittstonwerte T + ij (mit k i ) Subtrahiere davon T j (ohne k i ) B i = Σ s (T + ij T j ) beschreibt dann den Beitrag von k i über alle Stufen

37 Hatching TAM Erzeugung gleichmäßigere Verteilung Erzeuge für jede Stufe zusätzlich niedriger aufgelöste Versionen v (ggf. gefiltert)

38 Hatching TAM Erzeugung Für jeden Kandidaten k i, jede Stufe s j und jede Version v k Ermittle Durchschnittstonwerte T + ijk (mit k i ) B i = Σ s,v (T + ijk T jk ) beschreibt dann den Beitrag von k i über alle Stufen und Versionen Normalisiere mit der Länge von k i 1 k i B i

39 Hatching TAM Erzeugung Variation durch: Wahl des Striches Wertebereich für Winkel und Länge Kreuzschraffur

40 Hatching Variationen Kreide und Kohle auf grau Punktierung (Stippling)

41 Hatching Rendering Mip-Mapping sorgt für gleichbleibende Strichstärke räumliche und zeitliche Kontinuität durch Kombinieren mehrerer Texturen

42 Hatching Blending Pro Vertex die 2 am Tonwert liegenden Texturen Ton Ton Beispiel: Wert: 0.26 Tex1: 0.2 Tex2: 0.3 Verhältnis 40:60

43 Hatching Blending An Vertex Gewichtung zwischen beiden Texturen Im Dreieck baryzentrisch

44 Hatching Texturing Schraffur in Zeichnungen folgt Form > benötigt Beschreibung der Form Form Als Richtungsfeld per Hand automatisch

45 Hatching Form Surface Principal Curvature Berechne Krümmung der Oberfläche Auf grober Version des Modells Für jedes Dreieck im groben Modell Sammle alle zu den Eckvertices adjazenten Vertices Passe Quadrik in diese Vertices ein Berechne Krümmungsrichtung

46 Hatching Lapped Textures beliebige Oberflächen Texturierung entlang des Richtungsfeldes durch einzeln angebrachte Texture Patches wiederholtes anbringen auf sich überlappenden Teilflächen

47 Hatching Lapped Textures Unterteilung der Oberfläche kann vorberechnet werden Texturen können in Echtzeit getauscht werden

48 Hatching Lapped Textures

49 Hatching Verfahren Tonal Art Maps Strich Ergebnis Modell Vorberechnung Parametrisierung Echtzeit

50 Danke!

51 Fragen?

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