Maßnahmen zur Verbesserung des wahrgenommenen Bildes

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Katharina Pohl
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1 Thomas Jung Abtastung Aliasing Full Scene Antialiasing Mipmapping Anisotropes Filtern Antialiasing erhöht die Bildqualität Antialiasing ist Bestandteil jedes 3D- Grafiksystems Insbesondere in 3D-Grafikkarten Theoretische Kenntnisse übertragbar auf andere Multimedia-Bereiche Triangulierung Rasterung Texturabtastung Bildröhre Visuelles System Kontinuierliches Modell Diskretes Bild Aliasing Rekonstruktion Wahr- Genommenes Bild Maßnahmen zur Verbesserung des wahrgenommenen Bildes Bei der Texturabtastung Bei der Rasterung Unerwünschte Bildstörungen Beispiel: Sägezahnmuster Abhängig von menschlicher Wahrnehmung Subjektiv! Menschliches Gehirn nimmt Raster war Komponenten für Fourier-Analyse nachgewiesen Ursache Unterabtastung einer Funktion 1

Örtliches Aliasing Pro Bild Zeitliches Aliasing Bei Bildfolgen Störender als Örtliches Aliasing Wandern von Jaggies an Objektkanten Flimmern von Texturen Örtliche Antialiasing-Verfahren können

(Keyframes) Bildverdoppelung der 12 Bilder Kamera / Traditioneller Film Zweiflügelige Blende: 24 Bilder/Sekunde mit 48 Hell-Dunkel- Wechseln Fernsehen (PAL/SECAM) 25 Vollbilder 50 Halbbilder/Sekunde

Abtastfrequenz = 2 * Sinusfrequenz ( Bildquelle: Watt, Watt: Advanced Animation and Rendering Techniques, Addison Wesley, 1992 ) Kontinuierliche Funktion mit Bandbreitenbegrenzung kann durch

2 Örtliches Aliasing Pro Bild Zeitliches Aliasing Bei Bildfolgen Störender als Örtliches Aliasing Wandern von Jaggies an Objektkanten Flimmern von Texturen Örtliche Antialiasing-Verfahren können Zeitliche Aliasing-Effekte mindern Änderung der Drehrichtung ist Aliasing- Fehler Volle Rechtsdrehung Wahrnehmung: Halbe Linksdrehung Zeichentrickfilm Für Bewegungseindruck 12 bis 24 Bilder (Keyframes) Bildverdoppelung der 12 Bilder Kamera / Traditioneller Film Zweiflügelige Blende: 24 Bilder/Sekunde mit 48 Hell-Dunkel- Wechseln Fernsehen (PAL/SECAM) 25 Vollbilder 50 Halbbilder/Sekunde Antialiasing des Bildinhalts würde Flimmern nicht mindern Sinusfunktion ist rekonstruierbar, wenn häufig genug abgetastet wird Abtastfrequenz > 2 * Sinusfrequenz Abtastfrequenz < 2 * Sinusfrequenz Abtastfrequenz = 2 * Sinusfrequenz ( Bildquelle: Watt, Watt: Advanced Animation and Rendering Techniques, Addison Wesley, 1992 ) Kontinuierliche Funktion mit Bandbreitenbegrenzung kann durch Abtastpunkte repräsentiert werden Anzahl der Abtastwerte muß mindestens der doppelten Frequenz entsprechen (Nyquist-Frequenz) In der Praxis muß die Abtastfrequenz etwas höher sein Seltenere Abtastung erzeugt Aliasing Rekonstruktion von Funktionen mit falschen (zu geringen) Frequenzen Bilder repräsentierbar mit Sinuswellenspektren Bandbreitenbegrenzung existiert jedoch nicht Transformation vom Ortsbereich in den Frequenzbereich Durch Fourier-Transformation Anwendung zum Beispiel in der Bildkompression Hohe Frequenzen Niedrige Frequenzen (Bildquelle: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) 2

Stochastic Sampling Zufällige kleine Abweichung beim Abtasten Abtasten mit n-facher Auflösung Mitteln von n x n Pixeln zu einem Filtern hoher Frequenzen (Blurring) Verwendung von Filterkernen möglich

3 Vermeidung von Aliasing-Effekten Entweder durch häufigeres Abtasten Z. B. Einstellen einer höheren Bildauflösung Oder durch Veränderung des Bildinhalts Eliminierung hoher Frequenzen Durch Filterung Postfiltering Beispiel: Supersampling Prefiltering Beispiel: A-Buffer Stochastic Sampling Zufällige kleine Abweichung beim Abtasten Abtasten mit n-facher Auflösung Mitteln von n x n Pixeln zu einem Filtern hoher Frequenzen (Blurring) Verwendung von Filterkernen möglich Supersampling mit Faktor 2 ohne mit ( Bildquelle: ) Pro Pixel wird bedeckte Pixelfläche bestimmt Für alle beteiligten Objekte Flächen werden gegeneinander gekappt anhand der Reihenfolge in z-richtung Resultierende Pixelfarbe als gewichtetes Mittel der Flächengrößen Farbverläufe pro Pixel unberücksichtigt Verfahren von Catmul zu aufwendig für Hardware- Implementierung A-Buffer: Maske statt gekappte Flächen Anhand der Polygonkanten Von vorderstem zu hinterstem Polygon Für alle Pixel Sichtbar = A-Buffer & A-Maske A-Buffer = A-Buffer & ~A-Maske Gewicht = Cnt(Sichtbar)/nSubpx Bild = Bild + Farbe * Gewicht Durchgang Bildspeicher A-Buffer 0 schwarz 1 Dunkelgrün= schwarz + 4/16 * grün 2 Braun = Dunkelgrün /16 * Rot Ohne Z-Sortierung fehlerhaft ab 3 Polygonen!! Mit HW-Shadern implementierbar 3

GL_FASTEST Multisample Antialiasing: glenable( GL_MULTISAMPLE ) Bildraster erfordert Abtastung Aliasing durch Unterabtastung von Funktionen Visuelles System rekonstruiert Bild Zeitliches und

4 Blending einschalten! glenable(gl_point_smooth); glenable(gl_line_smooth); glenable(gl_polygon_smooth); // Kanten glhint( GL_POINT_SMOOTH_HINT, GL_NICEST); oder GL_LINE_SMOOTH_HINT oder GL_POLYGON_SMOOTH_HINT oder GL_FASTEST Multisample Antialiasing: glenable( GL_MULTISAMPLE ) Bildraster erfordert Abtastung Aliasing durch Unterabtastung von Funktionen Visuelles System rekonstruiert Bild Zeitliches und örtliches Aliasing Antialiasing durch häufigere Abtastung (Supersampling), zufällige Abtastung oder Filtern vor der Abtastung Adaptives Supersampling A-Buffer / Multisample Antialiasing 2-Stufige Abbildung bei der Rasterisierung Verkleinerung der Texel: Minification Vergrößerung der Texel: Magnification Es kommen mehrere Texel für die Zuordnung zum Pixel in Frage Beispiel Schachbrett Überspringen von Texeln Zufälliges Auswählen von nur schwarzen Feldern möglich Abtastpunkte ( Bildquelle: Tönnies, 3D-Computergrafische Darstellungen, Oldenbourg, 1994 ) ( Bildquelle: Wikipedia) Vermeidung von Aliasing-Effekten Entweder durch häufigeres Abtasten Oder durch Veränderung des Bildinhalts Eliminierung hoher Frequenzen Durch Filterung Multum in Parvo Viele in Einem Generierung von Texturvarianten Mit geringerer Auflösung Durch Filtern Brauchen seltener abgetastet zu werden Bestimmung der geeigneten Variante anhand der Entfernung des Betrachters Unterschreiten der Nyquist-Frequenz verhindern 4

Texturpyramide Adressierbar über u,v,d Aufteilung in 3 Farbkanäle Texturvarianten

Eliptisch gewichtete Mipmaps mit Gaussfilterung (Heckbert 86) Anisotropic Filtering

component, GLsizei width, GLsizei height, GLenum format, GLenum type, const void*

GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const void*

GL_NEAREST/LINEAR[_MIPMAP_NEAREST/LINEAR]) Magnification: gltexparameter(.

nächsten zum Pixelmittelpunkt Linear Interpolation der vier nächsten Texel gewichtet

Oldenbourg, 1994 ) Bilineares Filtern GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST Bestimmen der

Trilineares Filtern GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR Bestimmen der beiden nächsten Mipmaps in

5 Texturpyramide Adressierbar über u,v,d Aufteilung in 3 Farbkanäle Texturvarianten Texturpyramide für Grünanteil Adressierung Kein Mipmapping Mipmapping (OpenGL) Eliptisch gewichtete Mipmaps mit Gaussfilterung (Heckbert 86) Anisotropic Filtering Definieren der Mipmaps automatisch: glubuild2dmipmaps(glenum target, GLint component, GLsizei width, GLsizei height, GLenum format, GLenum type, const void* data) Oder einzeln: glteximage2d(glenum target, GLint level, GLint component, GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const void* d) Minification: gltexparameter(gl_texture_1/2d, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST/LINEAR[_MIPMAP_NEAREST/LINEAR]) Magnification: gltexparameter(..., GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST/LINEAR) Nearest Wert des Texels, das am nächsten zum Pixelmittelpunkt Linear Interpolation der vier nächsten Texel gewichtet anhand der Abstände ( Bildquelle: Tönnies, 3D-Computergrafische Darstellungen, Oldenbourg, 1994 ) Bilineares Filtern GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST Bestimmen der nächsten Mipmap anhand des Betrachterabstands Lineares Interpolieren der vier Texel Trilineares Filtern GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR Bestimmen der beiden nächsten Mipmaps in der Pyramide Jeweils lineares Interpolieren der vier Texel Mischen der Ergebnisse ( Bildquelle: ) 5

Einheitliches Mipmap-Level in der Vertikalen und Horizontalen ist problematisch Analyse des Fußabdrucks des Pixels in der Textur Interpolation zwischen betroffenen Texeln

com/wp-content/uploads/2014/04/texture-filtering1.png, Wikipedia) (Bildquelle: https://computergraphics.stackexchange.

6 Einheitliches Mipmap-Level in der Vertikalen und Horizontalen ist problematisch Analyse des Fußabdrucks des Pixels in der Textur Interpolation zwischen betroffenen Texeln Mehrere Zugriffe auf Textur im Fragmentshader (hier kein Mipmapping) Point Sampling Bilinear Lagrange Bicubic Hermite Bicubic ( Bildquelle: Wikipedia) (Bildquelle: ) Antialiasing für Rasterung und Texturierung Antialiasing für Texturen Minification vs. Magnification Reduzierung der Auflösung verhindert Unterschreiten der Nyquist-Frequenz Aufbau von Mipmaps Bilineares und Trilinears Filtern Anisotropes Filtern 6

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