Fotorealistische Bilder mit Raytracing

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1 Fotorealistische Bilder mit Raytracing Projektarbeit in der 10. Klasse A. Domay Pamina Gymnasium Herxheim 15. Oktober 2012

2 1 Motivation 2 Software: Povray 3 Szenenbeschreibungssprache 4 Animationen 5 Anhang 2 / 36

3 Motivation: Relevanz Die künstliche Erzeugung von Bildern spielt eine groÿe Rolle: Forschung Medizin u.a. Bilder aus Rasterelektronenmikroskopen Computertomographie Magnetresonanztomographie Ultraschalluntersuchungen Unterhaltung Foto Film Computerspiele 3 / 36

4 Motivation: Animationslme, Schülernähe Jeder hat schon einen Film gesehen, der entweder voll animiert oder teilweise animiert ist. Besonders interessant sind Filme, bei denen man berechnete Sequenzen nicht mehr von der Realität unterscheiden kann. Mit diesem Projekt erhalten die SuS Einblicke, wie solche Filme hergestellt werden. 4 / 36

5 Motivation: Animationslme, Schülernähe 5 / 36

6 Motivation: Animations lme, Schülernähe 6 / 36

7 Motivation: Lehrplanbezug Die Szenenbeschreibungssprache ist eine Programmiersprache. Es gibt den typischen turn-around Zyklus: Edit-Compile-Test. Das Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe (EVA) Prinzip wird klar erlebbar. Der abstrakte Begri Objekt wird hier konkret und die Objekte werden sichtbar. Wichtige Konzepte wie Schleifen und Variablen werden wiederholt. 7 / 36

8 Faszination Fotorealismus Es ist faszinierend, dass wir Bilder berechnen können, die wie Fotograen aussehen. 8 / 36

9 Erfolgserlebnisse tun gut Durch Kopieren einfacher Szenen hat man schnell Erfolg. Lebenserfahrung im Raum hilft beim Begreifen. Das Gefühl, etwas schwieriges zu verstehen und anwenden zu können, ist super. Es ist (für die Lehrkraft) einfach, dierenzierte Aufgaben zu stellen. Das führt zu persönlichen Erfolgen. 9 / 36

10 Raytracing Bei Raytracing Verfahren werden Bilder berechnet, indem Lichtstrahlen rechnerisch (mit mathematischen und physikalischen Modellen) vom Auge zur Lichtquelle zurückverfolgt werden. Eine Szene wird mit einer speziellen Szenenbeschreibungssprache beschrieben. Ein Szene enthält immer eine Lichtquelle einen Augpunkt (die Kamera) und die Objekte aus denen die Szene besteht 10 / 36

11 Raytracing 11 / 36

12 Fragen zum Raytracing allgemein? 12 / 36

13 allgemeine Überlegungen Es gibt sehr viele (gute) integrierte Entwicklungsumgebungen für das 3D Modelling. Vor lauter Komplexität und Funktionalität kommt man in der 10. Klasse damit aber nicht zum Wesentlichen. 13 / 36

14 allgemeine Überlegungen 14 / 36

15 Edit - Compile - Test Reduktion auf den rudimentären Edit-Compile-Test-Zyklus.Unter Linux und unter Windows leicht möglich. 15 / 36

16 inhaltliche Voraussetzungen in der 10. Klasse schaen Für die Arbeit mit dem Raytraycing müssen einige mathematische Dinge vorbereitend erwähnt werden: Einiges davon war schon früher in Mathe dran - wir müssen es nur ausgraben. Wir wenden hier Mathematik zur Abwechlung mal an. 2D Koordinatensystem, Punkt P(x,y) geometrische Abbildungen Verschieben Skalieren (zentrische Streckung) Drehen um Koordinatenachsen 3D Koordinatensystem, Punkt P(x,y,z) wird hier <x,y,z> geschrieben geometrische Abbildungen Verschieben Skalieren (zentrische Streckung) Drehen um Koordinatenachsen Man kann sogar schon von Vektoren sprechen und andeuten, wie man damit rechnet 16 / 36

17 methodische Überlegungen Zweiergruppen, in denen sich die Partner abwechseln, haben sich bewährt. Das sog. Pair-Programming ist eine extreme Programming Technik und wird erfolgreich praktiziert. Theorie (lehrerzentrierter Vortrag) abwechselnd mit ausreichend langen Übungsphasen Hilfe zur Selbsthilfe: Erklären, wie man selbst in der Dokumentation Hilfe und funktionierende Beispiele ndet und kopiert. Zusammenfassungen der behandelten Fachkonzepte mit Beispielen in Povray und in einer vorher behandelten Sprache ins Heft. Dabei kann man gut herausarbeiten, dass dieselben Konzepte anders notiert werden. 17 / 36

18 Einrichten der Arbeitsumgebung Wir richten jetzt die Arbeitsumgebung für diese Fortbildung ein. Die Umgebung für Ihre Schüler muss natürlich auch eingerichtet werden. Hier bietet sich die digitale Schultasche an.in der Fortbildung werden wir Windows benutzen. 18 / 36

19 Einrichten der Arbeitsumgebung Povray herunterladen und installieren Beispielszenen und Beispielobjekte herunterladen und auspacken für Sie als Lehrkräfte mit SuS steigen wir direkt ein Webbrowser mit Dokumentation und Tutorials bereithalten Lieblings Texteditor herunterladen und verwenden alle notwendigen Fenster önen mit einem Terminal zum Arbeitsverzeichnis navigieren 19 / 36

20 Ausprobieren Sphere Beispiel laden Quelltext IP meiner Schultasche wird bekanntgegeben. lesen wer mag: ändern (z.b. Farbe und Gröÿe der Kugel) übersetzen Ergebnis bewundern :) 20 / 36

21 Weiteres Vorgehen: einführende und vertiefende Theorie aufgelockert durch eigene Übungen das ganze abwechselnd Zusammenfassung und Ausblicke am Ende 21 / 36

22 Szenenbeschreibungssprache ASCII Text Keine Umlaute in Namen Groÿ/Kleinschreibung werden unterschieden Blöcke mit geschweiften Klammern Dezimalpunkt:. Komma für Vektoren Vektoren: <1.0, 2.0, 3.0> 22 / 36

23 Szene Eine Szene besteht aus: Anweisungen für das Einbinden von vordenierten Objekten usw. include... Lichtquelle(n) lightsource Augpunkt camera Objekte und deren Eigenschaften die Form: shape eventuelle geometrische Transformationen scale rotate translate die Oberächenbeschaenheit: texture 23 / 36

24 Koordinatensystem linkshändig x nach links y nach oben z nach hinten 24 / 36

25 Szenenbeispiel live Im Lieblingstexteditor... hier und heute: aus technischen und organisatorischen Gründen mit Povray unter Windows 25 / 36

26 Tutorials bei f-lohmueller.de Objekte Gruppierung von Objekten Variablen Schleifen Modularisierung und Wiederverwendbarkeit Modellierungsaufgabe: Tisch Tischplatte box verwenden Oberäche wie Holz aussehen lassen (s. woodbox.pov) Tischbein box oder cylinder verwenden viermal kopieren vier Beine und Platte gruppieren keine Hemmungen: die Tutorials sind spitze und werden von den Schülern regelrecht aufgesaugt. 26 / 36

27 Beispielaufgaben für Schüler Tisch modellieren Computer mit Bildschirm und Tastatur Raum modellieren Schule modellieren was Ihnen einfällt Was die Schüler möchten 27 / 36

28 Animationen zwei (Quell-) Dateien die Szenendatei die Steuerdatei bestimmte Koordinaten können über Variable zeitabhängig verändert werden Povray berechnet nach jeder Änderung ein neues Bild Man bekommt u.u. hunderte von Einzelbildern Einzelbilder werden mit speziellen Programmen zu einer Videodatei verarbeitet. 28 / 36

29 Animationen 29 / 36

30 Projektarbeit Gemeinsam eine Kamerafahrt durch einen Raum in der Schule erstellen. Zweierteams Teilprojekte denieren Tisch Raum Stuhl Teller mit Pommes Messer, Gabel, Löel Glas mit Saft... bei den Versuchen entstehen absurde Fehler Fehlerbilder Aufheben Die Fehlerbilder sind normalerweise sehr lustig Fail - Log / 36

31 Projektarbeit Schnittstellen müssen klar deniert werden, damit eine Gesamtszene entstehen kann Objekte müssen Namen haben eine Gesamtszene daraus herstellen Probleme Ergebnis Skalierung Orientierung im Raum ein Film: Kamerafahrt durch den Raum 31 / 36

32 Einige Schülerarbeiten ein paar Bilder und Pannenbilder von meinen Schülern / 36

33 Einblick in die Entstehung von Animationslmen gewonnen 33 / 36

34 Quellen im Web: Raytracing https://de.wikipedia.org/wiki/raytracing Povray Persistance of Vision Ray Tracer: sehr gute deutsche Tutorials und Anleitungen Beispiele ohne Ende 34 / 36

35 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Haben Sie noch Fragen? 35 / 36

36 Präsentation mit freier Software erstellt mit Freemind per XSLT Export und LaTeX Beamer gezeigt mit der PDF Presenter Console 36 / 36

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