Verbesserte Immersion in Stereoprojektionen anhand weicher Schatten, Tiefenunschärfe und Spiegelungen.

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1 Hochschule Darmstadt Vertiefung aktueller Themen in der Computer Graphik SS 07 Prof. Dr. Elke Hergenröther Verbesserte Immersion in Stereoprojektionen anhand weicher Schatten, Tiefenunschärfe und Spiegelungen. Nils Röder, Timm Drevenšek Abstrakt Dank neuester Grafikhardware- und Stereoprojektions-Techniken ist es möglich 3-Dimensionale virtuelle Umgebungen realitätsnah zu gestalten und in Echtzeit darzustellen. Verschiedene Techniken helfen hierbei den räumlichen Eindruck und die damit verbundene Immersion des Benutzers zu intensivieren. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Darstellung von Licht und Schatten, insbesondere geglätteten Schatten sowie Tiefenunschärfen und Spiegelungen in 3-Dimensionalen Szenen. Dieses Konzept gibt und die Möglichkeit einen noch realistischeren Eindruck zu erzeugen mit dem Ziel, dass die vorhandene Projektionsfläche nicht mehr wahrgenommen wird. Durch die Anwendung der hier beschriebenen Methoden war es uns möglich eine realistisch wirkende 3D-Anwendung zu implementieren. Gleichwohl hielten wir einige Verbesserungsvorschläge fest, mittels derer eine noch bessere Erreichung unseres ursprünglichen Ziels möglich wäre. Einleitung Wir haben eine DirectX HLSL Applikation für eine Infitec Stereoprojektion (Kapitel 1.2.) geschrieben. Die Szene zeigt einen Tisch, auf dem sich ein Schachbrett, Spielfiguren und eine Uhr befinden (siehe Abbildung 20). Um täuschend echte Szenen in einer virtuellen Welt darzustellen, gibt es mehrere Aspekte, die berücksichtigt werden müssen. Eine der wichtigsten Rollen spielt hierbei das Licht, insbesondere der damit verbundene Schattenwurf eines Objektes. Aus diesem Grund haben wir mehre Ansätze zur realistischen Schattenbildung analysiert und implementiert (Kapitel 6.). Des Weiteren wurden die Tiefenunschärfe (Kapitel 3. & Abbildung 29 - Abbildung 31) und eine Spiegelung der kompletten Szene im Frontglas der Uhr realisiert (Kapitel 4. & Abbildung 28). Die Applikation lässt es zu, zur Laufzeit zwischen Standart- und Stereo-Projektion umzuschalten (Abbildung 20 & Abbildung 21) und ermöglicht die Einstellungen zur Steuerung der Parallaxe sowie der Eye-Separation. Wir werden in diesem Paper zunächst auf Grundlagen der Stereoskopie eingehen und dann das Stereo- Projektions-System (Infitec: Interferenz-filtertechnologie - Kapitel 1.2.) vorstellen, für welches wir unsere Applikation entwickelt haben. An dieser Stelle werden wir natürlich auch auf die Implementierung (zur Bereitstellung der stereoskopischen Halbbilder für die Stereo-Projektion) in DirectX und OpenGL (Kapitel 6.) sowie auf die verwendeten Techniken zur Schattengenerierung (Kapitel 2.1.), Schattenweichzeichnung (Kapitel 2.2.), Tiefenunschärfe (Kapitel 3.) und Spiegelung (Kapitel 4.) eingehen. jedes Auge erzeugt und angeboten (stereoskopische Halbbilder genannt). Auf diesen Bildern werden alle Raumpunkte durch korrespondierende Bildpunkte auf jedem Halbbild dargestellt. Diese Punktpaare (korrespondierende Bildpunkte der Halbbilder) unterliegen aufgrund der Parallaxe einer geringen Seitenverschiebung (genannt: stereoskopische Deviation). Im Gegensatz zu einem zweidimensionalen Bild kann man also die Tiefenlage jedes Raumpunktes aus dem Bild mathematisch reproduzieren. Die Empfindung eines stereoskopischen Bildes ist für den Betrachter eine wesentlich intensivere Erfahrung als bei herkömmlichen 2D Bildern. Dieses Erlebnis ist auf die natürlich nahe kommende Darbietung der Szene zurück zu führen Parallaxe Es existieren drei verschiedene Arten von Parallaxen. Hierbei handelt es sich um die so genannte Null Parallaxe, die Negative Parallaxe sowie die Positive Parallaxe. Spricht man von einer Null-Parallaxe, so liegen die homologen Bildpunkte beider Bilder genau übereinander. Betrachtet man also einen Bildpunkt mit Null-Parallaxe, so bedeutet dies, dass sich die optischen Achsen in der Ebene des Bildschirmes schneiden. 1. Stereoskopie Die Stereoskopie (Abstammung griechisch: stereo = räumlich, skopein = sehen) ist ein Verfahren zur raumtreuen Abbildung, bei dem die folgenden Aspekte beachtet werden: Bilder werden paarweise getrennt für Abbildung 1: Null-Parallaxe

2 Bei einer positiven Parallaxe entspricht der Wert der Parallaxe dem Augabstand und die optischen Achsen beider Augen befinden sich in einer parallelen Ausrichtung. Dies geschieht in der Natur bei der Betrachtung von Objekten in großer Ferne. Sämtliche Objekte, bei denen sich die optischen Achsen hinter dem Bildschirm oder gar nicht schneiden (Parallax-Werte zwischen der Null-Parallaxe und dem Augenabstand ) erzeugen Bilder, welche innerhalb bzw. hinter dem Bildschirm wahrgenommen werden. Abbildung 5: Optische Filterung für das linke und rechte Auge (dargestellt durch die durchgängige und gepunktete Linie) Abbildung 2: Positive Parallaxe Im Fall der negativen Parallaxe, kreuzen sich die optischen Achsen vor der Bildschirm Ebene. Erzeugte Bilder dieser Art werden somit als in den Raum hineinragend wahrgenommen. Abbildung 6: A.) Informationen für das linke Auge. B.) Informationen für das rechte Auge. Die Kanaltrennung der projizierten Bilder erfolgt mit einer Brille, die über trennscharfe Interferenzfilter für jedes Auge das passende Wellenlängen-Tripel herausfiltert. Das Verfahren wurde ab 1999 für den Einsatz in VR-Systemen von der Forschung der DaimlerChrysler AG in Ulm entwickelt. Abbildung 3: Negative Parallaxe Abbildung 7: Infitec Systemaufbau. Weiterführende Informationen können Sie [Infitec] entnehmen. Abbildung 4: Illustration von positiver, negativer und Null Parallaxe Infitec (Stereo Projektions-System) Infitec bezeichnet eine Technik zur Kanaltrennung bei Stereoprojektionen basierend auf Interferenzfiltern (Interferenzfiltertechnologie). Hierbei werden die Bilder für das linke und rechte Auge mit Grundfarben unterschiedlicher Wellenlänge projiziert (so genanntes Wellenlängen-Multiplexing) [Infitec Wiki]. Die beiden optischen Filter (dargestellt durch die durchgängige und gepunktete Linie, [Abbildung 5]) splitten das Farbspektrum in zwei Teile auf (der durchgängige Teil markiert die Informationen für das linke Auge [Abbildung 6: A] und der gepunktete Teil markiert die Informationen für das rechte Auge [Abbildung 6: B]) Realisierung für h_da Stereoprojektionssysteme In diesem Abschnitt möchten wir uns mit der Implementierung des Stereo-Projektions-Systems befassen. So ist dieser Teil an die verwendete Umgebung sowie die vorhandene Installation der Visualisierungsmechanik gebunden. Bei der uns zur Verfügung stehenden Konfiguration sind beide Desktops auf der X-Achse nebeneinander angeordnet. Daraus ergibt sich, dass für eine Ansteuerung der beiden Projektoren, die übereinander ausgerichtet sind, ein Viewport mit der Größe der doppelten horizontalen Auflösung der einzelnen Projektoren benötigt wird. Die durch die Projektoren gegebene Auflösung von 1400 x 1050 bedingt somit einen Viewport der Größe 2800 x Die Implementierung bezüglich der Bereitstellung stereoskopischer Halbbilder in DirectX finden Sie im Anhang (Kapitel 6.1).. Darüber hinaus implementierten wir auch eine Lösung für OpenGL (Kapitel 6.2).

3 2. Schatten Schatten helfen dem Betrachter, die Lage von Objekten in einer Szene besser einschätzen zu können; sie intensivieren den räumlichen Eindruck. Würde man eine Szene ohne Schatten visualisieren, so könnte das menschliche Auge nicht erkennen, wo sich eine Lichtquelle oder ein bestimmtes Objekt genau befindet [Abbildung 8]. Die Visualisierung einer realistisch erscheinenden Szene ist ohne Schatten kaum denkbar. Abbildung 8: A.) Szene ohne Schatten. Die Lage der Kugeln kann ohne die Information des Schattens nicht korrekt identifiziert werden. Schweben die Kugeln im Raum? B.) Szene mit Schatten. Dank der Schatten-Information ist jetzt ein Höhenunterschied der Kugeln feststellbar. So existieren in der Computergraphik mehrere standardisierte Verfahren zur Erzeugung von Schatten. Zwei davon wollen wir im Näheren betrachten Shadow-Mapping Im Laufe der Zeit wurden viele Verfahren zur Schattenstellt 1978 in Visualisierung entwickelt. Lance Williams seinem Paper [Williams] Casting curved shadows on curved surfaces erstmals ein Verfahren vor, bei dem die von einer Lichtquelle erzeugten Schatten in der Szene aus Sicht der zugehörigen Lichtquelle aufgenommen, und anschließend auf die Szenengeometrie aus Kamerasicht projiziert werden. Im Grunde eignet sich das Verfahren perfekt für Richtungslichter (z.b. Spotlights); bei einer Punktlichtquelle hingegen muss diese in mehrere Spotlichter aufgeteilt werden. Es ist daher recht aufwändig, für Punktlichtquellen eine Depth- Map zu erstellen. Die Darstellung von Schatten mittels Shadow Maps geschieht in zwei Schritten. Abbildung 10: : Erstellen einer Shadow-Map. Entnommen von Learning Maya: Rendering Der Unterschied zum herkömmlichen Rendering Vorgang besteht darin, dass nicht die Farbwerte der Szene, sondern die Tiefenwerte der einzelnen Fragmente in Abhängigkeit von der Lichtquelle abgespeichert werden [Abbildung 10]. Die grundlegende Idee beim Rendern ist also, die resultierenden Tiefenwerte in eine Float-Textur zu speichern, der Shadow- / Depth-Map. Da wir uns bei diesem Teilschritt des Algorithmus ausschließlich für die Tiefenwerte interessieren, brauchen wir an dieser Stelle nur die Geometrie zu rendern. Das bedeutet, dass wir unser Beleuchtungsmodell nicht berechnen müssen und dass wir die Szene auch ohne Texturen rendern können um korrekte Tiefenwerte zu erhalten, solange wir keine Alphamasken verwenden. Im zweiten Schritt berechnen wir jetzt für jeden Pixel die Entfernung zur Lichtquelle. Um die Entfernung bestimmen zu können muss der Pixel erst in den Projektionsraum der Lichtquelle transformiert werden. Ist die nun berechnete Entfernung (vom Pixel zur Lichtquelle) größer als der Tiefenwert in der Shadow Map, so zeigt sich, dass der Pixel im Schatten liegt und wir somit der Diffuse- bzw. Specular-Anteil für diese Lichtquelle wegfällt [Formel 1].. Ist der Tiefenwert hingegen kleiner oder gleich dem Wert der Shadow-Map, so ist der Pixel von der Lichtquelle aus sichtbar und wird somit von ihr beleuchtet. Formel 1: Phong Shader Abbildung 9: Licht Projektion Der erste Schritt beinhaltet die Generierung einer Tiefenkarte (Depth-Map), welche aus der Sicht der Lichtquelle gerendert wird [Abbildung 10].. Das bedeutet, die Kameraposition entspricht der Lichtposition, die Blickrichtung entspricht der Richtung der Lichtquelle und der Öffnungswinkel der Kamera entspricht bei Spotlichtern dem Öffnungswinkel der Lichtquelle. Abbildung 11: Soft-Shadow

4 2.2. Soft-Shadow-Map Um einen wirklichkeitsnahen Schattenwurf mittels Shadow-Maps zu realisieren, ist es nötig mehr als nur einen Pixel [Abbildung 27] für die Bestimmung der Schattierung zu verwenden, da dies einen untypisch harten Schatten zur Folge hätte. Dies ist jedoch dank des pixelbasierten Verfahrens an sich relativ simpel. Um ein Weichzeichnen des Schattens zu ermöglichen iteriert man für die Errechnung der Intensität des Schattens im Punkt über mehrere Tiefen-Werte und summiert diese mittels einer festgelegten Gewichtung. Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten der Nachbarschaftsbetrachtung als auch deren Gewichtung (siehe Formel 2 & Abbildung 24 Abbildung 27). Die von uns verwendeten Nachbarschaftsbetrachtungen und deren Gewichtungen sehen Sie in Abbildung 24 - Abbildung 27 und einen der entsprechenden Shader in Formel 2. Als Veranschaulichung wurden den Abbildungen (Abbildung 24 - Abbildung 27) oben rechts die entsprechenden Nachbarschaftsbetrachtungen inklusive ihrer Gewichtung angegeben. Die als dunkelgrau markierten Pixel gehen hierbei (im Gegensatz zu den hellgrau markierten Pixeln) mit einer stärkeren Gewichtung in die Berechnung ein. Die erzielten Ergebnisse werden später in Kapitel 5. besprochen. Abbildung 12: Schattenvolumen eines Dreiecks Wenn das Objekt z.b. ein einfaches, dem Licht zugewandtes Dreieck ist, so ist das Schattenvolumen ein Pyramidenstumpf, der beim Dreieck beginnt und vom Licht ins Unendliche verlängert wird [Abbildung 12 & 13]. Formel 2: Soft-Shadow-Shader, passend zu 2.3. Shadow Volumes, [Hei91] & [Crow77] Eine weitere Möglichkeit der Schattenberechnung ist der Shadow Volume Algorithmus. Dieser Algorithmus wurde von Crow 1977 [Crow77] entwickelt. Heidmann [Hei91] veröffentlichte 1991 den ersten Schattenvolumenalgorithmus auf Basis des Stenclibuffers. Neuere Grafikkarten verwenden diesen bereits als in Hardware gegossenes Feature, weswegen wir ihn hier detailierter besprechen möchten. Der Shadow Volume Algorithmus setzt im Gegenteil zum Shadow Map Verfahren eine polygonale Darstellung der Objekte voraus. Bei einem Shadow Volume handelt es sich um einen Teil des Raumes, der durch ein Objekt bzgl. der Lichtquelle verdeckt wird. Das berechnete Volumen beschreibt also einen Teil des Raums, der im Schatten liegt. Shadow Volumes sind polygonale Gebilde und die Polygone, die das Shadow Volume beschreiben nennt man auch Schattenpolygone. Shadow Volumes erzeugen pixelgenaue Kernschatten. Bei dieser Technik handelt es sich um Schatten mit harten Kanten, welche keinen Helligkeitsverlauf aufzeigen. Dank der Selbstverschattung liefert dieses Verfahren einen sehr realistisch wirkenden Schatten. Der Algorithmus besteht im Wesentlichen aus mehreren Phasen. In einer Phase entsteht ein Schatten-Volumen, wenn sich ein polygonales Objekt zwischen einem Projektionskörper (Empfänger [Abbildung 12]) und einer punktförmigen Lichtquelle befindet. Das Volumen entsteht zwischen dem Objekt und dem Empfänger. Abbildung 13: Generierung des Schatten-Volumen [Darko] Beim anschließenden Rendering dieses Volumens wird neben dem Tiefen- auch der Stencilwert für jeden Pixel festgehalten. Dieser fungiert als Zähler und gibt an, wie oft das entsprechende Pixel von einem Schatten werfenden Objekte getroffen wurde. Später dient dieser Wert dazu fest zu legen, ob an diesem Punkt ein Schatten auftritt oder nicht [Abbildung 14]. Abbildung 14: Berechnung eines endlichen Shadow Volumes als Schnitt des unendlichen Shadow Volumes mit dem View Frustum [Darko]

5 Zu beachten ist hierbei, dass die der Kamera zugewandte Vorder- und Rückseite des Schatten werfenden Volumens getrennt voneinander betrachtet werden. So erhöht das Rendern eines Objektes, das dem Betrachter zugewandt ist, den Stencil Wert um eins, während eine abgewandte Fläche den Wert um eins verringert. Grund ist, dass dadurch auch Objekte mit Löchern einen korrekten Schatten erhalten werden [Abbildung 15]. Neuere Grafikkarten unterstützen Modis, in denen dies in einem Durchgang geschieht. uns zu Nutze machen. So könnte man z.b. in einer Szene den virtuellen Hauptdarsteller fokussieren. Der User würde sich dann auf diesen konzentrieren und nicht von den Geschehnissen im Hintergrund ablenken lassen. Informationen könnten mit dieser Technik also leichter erfassbar gemacht werden. Das bei uns verwendete Verfahren arbeitet nach dem Prinzip, anhand der Entfernung des Betrachter im Pixel für dieses die Nachbarschaften mit den Faktoren & zu multipliziert und aufzusummieren. Ist das Pixel entsprechend weit entfernt werden abhängige Nachbarschaften entsprechend unterschiedlich stark gewichtet und verrechnet. Der resultierende Farbwert bildet somit eine entfernungsbedingte Mittelung von bis zu 9 Pixeln ab Formel 3: Depth of Field-Shader Abbildung 15: Phase 2 des Algorithmus [Darko] Der so gewonnene Stencil Buffer enthält nun für jeden Pixel die Anzahl an Objekten die hier einen Schatten werfen. Mittels eines Pixel-Shaders lässt sich hiermit nun die Helligkeit dimmen und ein Schatten simulieren. Dafür werden erst die Tiefenwerte der beiden Bilder abgeglichen. Sollten die Werte im Schattenvolumen-Bild größer als die des Vollfarbenbildes sein, so wird anhand des Stencil Buffers der Schatten im Farbbild gesetzt oder eben nicht. Im Gegensatz zu Shadow-Maps aps ist hier jedoch die Erzeugung von unscharfen Schatten weit komplexer. 3. Tiefenunschärfe Unschärfe in Bildern ist eine visuelle Eigenschaft, welche in der Fotografie schon seit über 150 Jahren eine wichtige Rolle spielt. In der heutigen Computergrafik wird dieser Effekt aber so gut wie gar nicht berücksichtigt. Nimmt man z.b. mit einer Kamera ein Foto auf, dann ist die Linse auf eine bestimmte Distanz fokussiert. Daraus resultiert, dass Objekte, welche näher oder entfernter von diesem Fokus sind, verschwommen erscheinen. Durch die Änderung des Fokus (der Kamera Linse) können dann jeweils nur nahe oder entfernte Objekte scharf dargestellt werden. Diesen Effekt bezeichnet man auch als Depth of Field (DoF). Auch das menschliche Auge funktioniert nach diesem Prinzip. Abbildung 16: Unterschiedliche Tiefenschärfen Hierzu wird die komplette Szene nicht auf den Bildschirm sondern zuerst auf eine Textur gerendert. Hierbei wird im Alpha Wert die Tiefe abgelegt. In einem 2. Schritt wird nun diese Textur 1:1 auf den Bildschirm gerendert und der Pixel-Shader (Formel 3) angewendet. Die Ergebnisse sehen Sie im Abbildungsverzeichnis [Abbildung 29 - Abbildung 31], sowie bei der Ergebnisbesprechung in Kapitel 5. Andere Verfahren rendern das komplette Bild mehrfach aus minimal unterschiedlichen Blickwinkeln und kombinieren anschließend diese Bilder miteinander. 3dfx hatte als erster Hersteller von Grafikchips bereits in den 90er Jahren ein solches Depth of Field Verfahren als einfach verwendbares Feature zur Verfügung gestellt. Hierbei werden, wie auch im Bereich 3D-Rendering Software (3D-Studio-Max, Maya, etc.), mehrere Bilder aus minimal unterschiedlichen Perspektiven gerendert und miteinander kombiniert. 4. Spiegelungen Der bei uns verwendete Spiegeleffekt, welcher im Glas der Uhr Anwendung findet, basiert auf einem Render to Texture Prinzip. Hierbei wird die komplette Szene in einem ersten Schritt in eine Textur gerendert. Dieses Abbild wiederum wird anschließend in die komplette Szene integriert und zusammen mit den übrigen Elementen gerendert. Der Blickwinkel der Kamera auf den Spiegel spielt hierbei eine bedeutende Rolle bei der Berechnung des dargestellten Bereichs. So wird dieser an der Normalen des Spiegels reflektiert und bildet damit die neue Blickrichtung aus dem Spiegel hinaus. Daraus lässt sich eine entsprechende Projektionsmatrix generieren, welche dann zum rendern des Spiegelbildes dient. In einem zweiten Schritt wird nun diese Textur mit einer gewissen Transparenz in die komplette Szene eingebunden und gerendert. Praktischen Einsatz findet DoF vor allem, wenn man beabsichtigt, die Aufmerksamkeit des Users auf einen bestimmten Punkt zu lenken. Diesen Effekt möchten wir

6 Kamera Blickrichtung Normale Spiegel Blickrichtung Abbildung 18: Nicht-Lineare Verteilung der Tiefenwerte [Scherz] Abbildung 17: Spiegelung im Glas der Uhr Hieraus entsteht jedoch ein gewisser Overhead. Einerseits muss die komplette Szene einmal aus Sicht des Spiegels und dann aus Sicht des Betrachters gerendert werden. Andererseits wird bei Verwendung einer Stereoprojektion dieser Schritt zweimal, für die unterschiedlichen Blickrichtungen bedingt durch die Parallaxe (Kapitel 1.1.) durchlaufen. Somit wird die Szene insgesamt viermal gerendert. 5. Zusammenfassung, Ergebnisse und Ausblicke 5.1. Schatten Nach einem gründlichen Vergleich der beiden vorgestellten Verfahren, entschieden wir uns für den Shadow-Mapping Algorithmus. Gründe hierfür waren unter anderem, dass dieser im Vergleich zum volumenbasierten Verfahren einfacher zu realisieren war. So bringt dieser einige nützliche Vorteile mit sich. Weiche Schatten sind mittels eines verwischen der Shadow-Map ap relativ unkompliziert zu realisieren (Kapitel 2.2.). Das Verfahren unterstützt des weiteren Selbstschattierung von Objekten und benötigt keinerlei Kenntnisse über die Geometrie der Szene. Dies ist bei dem Shadow-Volume-Algorithmus nicht der Fall, worauf wir bereits in Kapitel 2.3. eingegangen sind. Weiter sind vor allem weiche Schatten mittels Volumen nicht ohne größere Trickserei möglich, da dieser erst nach dem Rendering des eigentlichen Bildes stattfinden muss und somit in einem weiteren Schritt durch einen zusätzlichen Pixelshader realisiert werden kann. Die Nachteile des Shadow-Map Verfahren, hervorgerufen durch das pixelbasierte Verfahren und somit die auftretenden Aliaseffekte der Shadow-Map, sind bei uns zu vernachlässigen. Die von uns verwendete Szene ist relativ klein und so konnten diese Effekte durch die Wahl einer höheren Auflösung vermieden werden. Grundlegend ist zu beachten, dass es sich beim Shadow-Mapping um ein pixelbasiertes Verfahren handelt, in dem sowohl die Auflösungen als auch die Projektionen abhängig zueinander angepasst werden müssen. Es gibt noch einige Erweiterungen erungen des Shadow-Mapping Algorithmus zur Verbesserung der Bildqualität [Scherz]. Ziel hierbei ist es, Aliaseffekte zu vermeiden. Diese werden beispielsweise durch die lineare Verteilung der Tiefenwerte in der Shadow-Map ap hervorgerufen und können durch eine e angepasste Projektion im Lichtraum vermieden werden [Abbildung 19 obere Skala]. Der Shadow-Mapping apping Algorithmus erfreut sich einer großen Beliebtheit. Pixar implementierte das Verfahren in seiner Software Renderman, und setzte ihn bei Kino-Produktionen wie Toy-Story ein. Abbildung 19: Pixar Aber auch in Bereichen, in denen Schatten in Echtzeit berechnet werden müssen, ist dieses Verfahren eine sehr beliebte Methode. So verwenden mittlerweile zahlreiche aktuelle Computerspiele diesen Algorithmus Tiefenunschärfe Das bei uns verwendete Verfahren arbeitet nach dem Prinzip, dass anhand der Entfernung des Pixels sowohl der Grad des Verwaschen, als auch die Anzahl der Nachbarschaften festlegt und daraus die Farbe des Pixels bestimmt. Die von uns verwendete Tiefenunschärfe verleiht der Szene einen nachhaltigen Realismus. Die von uns erzielten Ergebnisse sehen sie in Abbildung 29 - Abbildung 31. Jedoch könnte dieser Effekt noch um weitere Punkte ausgebaut werden. So wäre hier ein Modell zur Berechnung angelehnt an das tatsächlich vorhandene physikalische Verhalten von realen Objektiven und deren Brennwinkel wünschenswert. Abhängig davon sollten die Parameter zur Steuerung der Tiefenschärfe zur Laufzeit dynamisch änderbar sein Spiegelung Der bei uns verwendete Spiegeleffekt, welcher im Glas der Uhr Anwendung findet, basiert auf einem Render to Texture Prinzip. Hierbei wird die komplette Szene in einem ersten Schritt in eine Textur gerendert. Dieses Abbild wiederum wird anschließend in die komplette Szene integriert und zusammen mit den übrigen Elementen gerendert. Das von uns erzielte Ergebnis sehen sie in Abbildung 28. Die verwendete Spiegelung könnte dahingehend erweitert werden, dass die verwendete Glasscheibe um einen Realismus Faktor ergänzt würde und die Darstellung des dahinterliegenden Ziffernblatts, abhängig vom Betrachterpunkt brechen würde.

7 6. Anhang // Aufrufen der Szenen Geometrie Geometry(); 6.1 DirectX device ->BeginScene(); device->clear(0,0,d3dclear_target D3DCLEAR_ZBUFFER, D3DCOLOR_ARGB(0,0,0,0), 1.0f, 0)); // Projektion D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&projection, ((90.0/180.0) * M_PI), 1.0f, 0.0f, 500.0f); device->settransform(d3dts_projection, &projection); // kamera richtung bestimmen dir = lookat - position; D3DXVec3Normalize(&dir, &dir); // vektor zwischen linkem und rechtem auge D3DXVec3Cross(&disparityDir, &up, &dir); D3DXVec3Normalize(&disparityDir, &disparitydir); // view linkes auge posleft = position + (disparitydir * seperation); lookleft = posleft + dir + (disparitydir * paralaxe); D3DXMatrixLookAtLH(&left, &posleft, &lookleft, &up); device->settransform(d3dts_view, &left); // linker rendering bereich festlegen D3DVIEWPORT9 leftview={0, 0, Width/2, Height, 0, 1}; device->setviewport(leftview); // rendering for(vector<object*>::iterator iter = list.begin(); iter!= list.end(); iter++) (*iter)->draw; // view rechtes auge posright = position - (disparitydir * seperation); lookright = posright + dir - (disparitydir * paralaxe); D3DXMatrixLookAtLH(&right, &posright, &lookright, &up); device->settransform(d3dts_view, &right); // Szene für das rechte Auge rendern (rechter Viewport) glviewport (winwidth/2, 0, winwidth/2, winheight); glmatrixmode (GL_PROJECTION); // WICHTIG: // Kein glclear aufrufen da sonst die linke Szene // verlohren geht // Matrix vom Stack holen glpopmatrix(); // Kamera für das rechte Auge verschieben glulookat(auge_d/2.0,0.0,1.0, auge_d/2.0, 0.0,0.0,0.0,1.0,0.0); glmatrixmode (GL_MODELVIEW); glloadidentity(); // Aufrufen der Szenen Geometrie Geometry(); // rechter rendering bereich festlegen D3DVIEWPORT9 rightview={width/2, 0, Width/2, Height, 0, 1}; device->setviewport(rightview); // rendering for(vector<object*>::iterator iter = list.begin(); iter!= list.end(); iter++) (*iter)->draw; device ->EndScene(); device->present( NULL, NULL, NULL, NULL ); 6.2 OpenGL Void SceneGeometry(){ //hier befindet sich die Geometrie der Szene (Tisch, //Schachbrett, Figuren, etc.)... } void RenderScene() { // Windowgroesse ermitteln int winwidth = glutget(glut_window_width); int winheight = glutget(glut_window_height); // Szene für linkes und rechtes Auge rendern glutswapbuffers () glmatrixmode (GL_PROJECTION); glloadidentity(); gluperspective(45.0f,(glfloat)(winwidth/2.0f)/ (GLfloat)winheight,0.1f, 300.0f); // Szene für das linke Auge rendern (linker Viewport) // linke hälfte des Fensters glviewport (0, 0, winwidth/2,winheight); // Matrix sichern (für das rechte Auge) glpushmatrix(); // Kamera fuer linkes Auge verschieben // auge_d ist der Augabstand glulookat(-auge_d/2.0,0.0,1.0,-auge_d/2.0, 0.0,0.0,0.0,1.0,0.0); glmatrixmode (GL_MODELVIEW); glloadidentity(); // Framebuffer,Depthbuffer löschen glclear (GL_COLOR_BUFFER_BIT GL_DEPTH_BUFFER_BIT); }

8 Referenzen [Barco] Infitec stereo separation. [Crow77] F. C. Crow. Shadow Algorithms for Computer Graphics. SIGGRAPH 77, pages , [Darko] Darko Pavic, Shadowing [Hei91] Tim Heidmann. Real Shadows Real Time. IRIS Universe, Number 18, pages 28 31, [Infitec] [Infitec Wiki] [Scherz] Daniel Scherz, Robust Shadow Maps for Large Environments, [Williams] WILLIAMS, L Casting curved shadows on curved surfaces. SIGGRAPH 1978, Computer Graphics Proceedings

9 Abbildungsverzeichnis Abbildung 20: Normale Szenenansicht mit Soft-Shadow-Maps und einer Spiegelung der Szene im Frontglas der Uhr. Abbildung 21: Stereoprojektion der Szene Abbildung 22: Die gesamte Schatten-Information der Szene (Ausschnitt) Abbildung 23: Szenen Shadow-Map (Ausschnitt) Abbildung 24: Szene (Ausschnitt) mit Soft-Shadow-Map. Abbildung 25: Szene (Ausschnitt) mit Soft-Shadow-Map.

10 Abbildung 26: Szene (Ausschnitt) mit Soft-Shadow-Map. Abbildung 27: Szene (Ausschnitt) mit Shadow-Map, ohne berücksichtigung der benachbarten Pixel. Abbildung 28: Uhr mit Spiegelung der Szene im Frontglas. Abbildung 29: Tiefenunschärfe Abbildung 30: Tiefen Schärfe Abbildung 31: Tiefenunschärfe