Komplexpraktikum Graphische Datenverarbeitung im WS 04/05

Transkript

1 Komplexpraktikum Graphische Datenverarbeitung im WS 04/05 von Enrico Leonhardt TU Dresden Medieninformatik 29. März 2005

2 Graphische Datenverarbeitung WS 04/05 Einführung Dieser Raytracer entstand im Rahmen eines Komplexpraktikums an der TU- Dresden im Wintersemester 04/05, welches von Oliver Franzke betreut wurde. In dieser Dokumentation wird zunächst das Pflichtenheft sowie das Klassendiagramm kurz dargestellt. Danach soll kurz auf die eigentliche Umsetzung sowie das endgültige Programm eingegangen werden. Pflichtenheft 1 Zielbestimmung Ziel ist die Entwicklung eines Raytracers in einer beliebigen Programmiersprache. Das Programm soll als Eingangsdaten das XML3D-Szenenformat verarbeiten können und Ergebnisbilder liefern, die im Wesentlichen mit denen eines üblichen Raytracers übereinstimmen. 1.1 Muss- Kriterien Geometrieobjekte: Kugel, Ebene, Quader, Dreieck und Dreiecksnetz die Geometrieobjekte können frei im Raum positioniert werden die Kameras sollen frei im Raum positioniert werden Punktlichtquellen und direktionaler Lichtquellen Unterstützung von Lambert- und Phong- Materialien aus einer Bilddatei können Texturen gelesen und verarbeitet werden Raytracing: Schatten + rekursive Berechnung von Reflexion und Refraktion Auflösung des Ergebnisbildes und maximale Rekursionstiefe sind frei konfigurierbar das Szenenformat ist XML3D 1.2 Wunsch- Kriterien: prozedurale Texturen: Schachbrett Berechnung und Darstellung von Scheinwerfer- und Flächenlichtquellen Anti-Aliasing: Supersampling (4x, 9x) 1.3 Abgrenzungs- Kriterien: Geschwindigkeit und Komplexität professioneller Raytracer soll nicht erreicht werden kein Rendern in Netzwerken oder Unterstützung von Multiprozessoren keine Unabhängigkeit von der Plattform 2 Produktumgebung Das Programm läuft auf einem Rechner. 2.1 Software Betriebssystem: Windows XP 2.2 Hardware PC Seite 1

3 Komplexpraktikum Raytracer UML Klassendiagramm Seite 2

4 Graphische Datenverarbeitung WS 04/05 Klassendiagramm Beschreibung Dieses Klassendiagramm ist ein grober Entwurf und macht folgenden Aufbau deutlich: Die Klasse CRaytracer ist im Allgemeinen für das Rendern der Szene zuständig. Eine Szene (CScene) besteht dabei aus mehreren verschiedenen Objekten (SceneEntity), die gewisse Eigenschaften gemeinsam haben (wie z.b: Name und Typ). Diese wurde dann noch einmal unterteilt in Materialien (IMaterial) wie Lambert bzw. Phong oder Map- Materialien und Objekte die im 3-dimensionalen Raum definiert sind (I3dEntity). Diese wiederum werden unterschieden zwischen Kamera- Objekten (CCamera), verschiedenen Lichtern (ILight) und Geometrie- Objekten (CGeometry). Der Ablauf des Renderns sieht dann in etwa so aus: In der Klasse CRaytracer wird ein Strahl losgeschickt, der nun mit Hilfe der Intersect- Methode den evtl. Schnitt mit dem jeweiligen Objekt überprüft und die Ergebnisdaten in einer Struktur (tsampleinfo) abspeichert. Diese Daten werden nun bei der Farbberechnung (Shade) des Materials vom jeweiligen Objekt zu Hilfe genommen. Dabei wird auch die Liste der Lichter in der Szene durchlaufen, um die Helligkeit an diesem Punkt zu bestimmen. Seite 3

5 Komplexpraktikum Raytracer Umsetzung Die Wahl der Programmiersprache für die endgültige Umsetzung fiel auf C# mit.net 1.1 und dem XML3D- Framework, welches vom Lehrstuhl für Computergrafik der TU- Dresden zur Verfügung gestellt wurde. Dies vereinfachte die Arbeit um ein großes Stück, denn mit C# wurde die Handhabung mit Dateien (Laden und Speichern) sowie das Erstellen einer Benutzer- Oberfläche zum Kinderspiel und das XML3D- Framework beinhaltete schon die wichtigsten Matrix-Operationen für die vielen Vektorberechnungen. Dabei wurde die Konzeption aus der Analysephase zum größten Teil beibehalten, jedoch wies diese bei der eigentlichen Implementierung noch einige Lücken auf. Zum Beispiel der Zugriff auf die tsampleinfo oder der Rekursive Aufruf der gesamten Berechnung bei Reflexion bzw. Refraktion war nicht eindeutig klar und erschloss sich somit erst nach einigen Experimenten. Neben der Basisfunktionalität wurden allerdings aus Zeitgründen nur einige der Features umgesetzt - Supersampling (4fach, 9fach) + Option des reinen Kantenglättens - Scheinwerfer- Licht - Prozedurale Textur: Schachbrett mit freier Skalierung - Flächenlicht (experimentell nur für plane) Seite 4

6 Graphische Datenverarbeitung WS 04/05 Oberfläche Ein flüchtiger Blick auf die endgültige Oberfläche lässt schon erahnen, dass hier einige Einstellungsmöglichkeiten vorhanden sind (Abbildung 2). Abbildung 2: Screenshot Raytracer Oberfläche Im Folgenden werden nun einige Menü-Punkte der Oberfläche erläutert. 1. Image Options Hier kann schnell zwischen 4 verschiedenen Standart-Auflösungen eine ausgewählt werden. Dabei wird erst die Breite geändert und dann abhängig von dem Seitenverhältnis der Kamera die Höhe angepasst. Dies kann selbstverständlich auch von Hand gemacht werden. 2. Camera Einfach eine der geladenen Kameras auswählen und bei Bedarf das Sichtfeld anpassen. 3. TreeView Hier kann man auf jedes Objekt der Szene zugreifen und sich einige Attribute anzeigen lassen, welche auch bedingt modifiziert werden können. Modifikationen bei - Meshes: Änderung der Materialzuweisung - Checker: Schachbrettskalierung - Lights: Schattenstatus aktivieren bzw. deaktivieren 4. Global Render Options - Rekursionstiefe ist von 0 bis 5 möglich - Schattenberechnung zulassen oder für alle Lichtquellen unterdrücken - normal shade anstelle der eigentlichen Materialien - Anti-Aliasing 4 bzw. 9 fach (Von höheren Stufen wurde auf Grund der Geschwindigkeit dieses Raytracers bewusst Abstand genommen. Dafür gibt es eine Möglichkeit nur die Kanten von Geometrien glätten zu lassen, was zwar etwas schneller ist, aber auch in einigen Fällen nicht den gewünschten Effekt erzielt. Beispiel Schattenränder.) Seite 5