Visuelle Simulation eines Radiosity Algorithmus und ihre Anwendung in Lernprozessen

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1 Visuelle Simulation eines Radiosity Algorithmus und ihre Anwendung in Lernprozessen Abschlussvortrag zur Diplomarbeit von Jörg Karpf Graphische Datenverarbeitung, Institut für Informatik 3. September / 26

2 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 2 / 26

3 Warum wurde dieses Thema gewählt? Radiosity ist anscheinend schwer zu verstehen wichtiges Verfahren existierende Erklärungen sind oft sehr theoretisch und wenig anschaulich Der Mensch ist ein Augentier (Zitat: Hugo Wolf) 3 / 26

4 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 4 / 26

5 Definition: Visualisierung Graphics is the visual means of resolving logical problems. (Bertin, 1977)...Transformation of the symbolic into the geometric... (McCormick et al., 1987) The depiction of information using spatial or graphical representations, to facilitate comparison, pattern recognition, change detection, and other cognitive skills that make use of the visual system. (Hearst, 1998) 5 / 26

6 Was ist das Radiosity-Verfahren? vorgestellt 1984 von Cindy Goral und Donald P. Greenberg globales Beleuchtungsverfahren zur Berechnung realer Lichtausbreitung von diffusen Interobjektreflektionen erzeugt Kern- und Schlagschatten Idee: Energieerhaltungssatz für geschlossene Systeme Berechnung durch die Radiosity-Gleichung 6 / 26

7 Radiosity-Gleichung B i = E i + r i n j=1 B j F ij, i = 1,...,n Quelle: (Folie 58ff / Seite 20ff) (Stand: ) Die Radiosity-Gleichung ist von der Reflektionsgleichung hergeleitet 7 / 26

8 Beschränkungen keine transparente Flächen keine spiegelnde Reflektion nicht echtzeitfähig wegen hohem Speicher- und Laufzeitbedarf (je O(n 2 ), n = Anz. der Patches in der Szene) 8 / 26

9 Progressive Refinement Radiosity iteratives, inkrementelles Verfahren zur Approximation von Radiosity Shooting: Jedes Patch i gibt seine Energie (Licht) an alle anderen Patches ab Gathering: Jedes Patch i sammelt von allen anderen Patches das auf i einfallende Licht ein 9 / 26

10 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 10 / 26

11 Visualisierungen und Simulationen von Radiosity Darstellung der Szene nach den einzelnen Iterationsschritten reine Animation Darstellung der Szene nach der gesamten Berechnung Szene kann gedreht werden Parameter können eingestellt werden radvis Visualisierungs-Frontend von Radiator visualisiert u.a. klassisches Radiosity und Progressive Refinement Radiosity Parameter können eingestellt werden Quellen (Zugriff: ): / 26

12 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 12 / 26

13 Anforderungen Ziel: Konzeption und Implementierung einer 3D-Simulation eines Radiosity-Verfahrens als Lernanwendung zu E-Learning-Zwecken Die Lernanwendung ist als eine interaktive, angeleitete Selbstlerneinheit konzipiert angeleitetes Lernen durch einen LernBar-Kurs mit Testfragen Zielgruppe: Studenten der Informatik mit Grundkenntnissen in der Computergrafik Randbedingung: Implementierung mit Java und Java3D 13 / 26

14 Verwendung der Lernanwendung und des Kurses Start / Ende beenden starten Kurs vermittelt Theorie Kurs Testfragen Kurs leitet über leitet über Lernanwendung Lernanwendung Verdeutlichung durch 3D-Inhalte 14 / 26

15 Lernziele 1. Radiosity-Gleichung und deren einzelnen Terme 2. Formfaktoren und deren Eigenschaften 3. Progressive Refinement 4. Veränderung der Szene nach den jeweiligen Iterationsschritten des Progressive Refinements 5. Laufzeit- und Speicherplatzkomplexität von Radiosity 6. Aufbau, Struktur, Nutzen und Berechnung eines Hemi-Cubes sowie dessen Elemente 7. Vor- und Nachteile des Radiosity-Verfahrens 15 / 26

16 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 16 / 26

17 Gewählte Radiosity-Variante Progressive Refinement Gathering mittels Hemi-Cube In jedem Iterationsschritt wird für jedes Patch das ankommende Licht mit einem Hemi-Cube eingesammelt 17 / 26

18 Lektionen 1. Kurs - Einleitung 2. Radiosity - Einleitung 3. Bedienungsanleitung 4. Initialisierung 5. Progressive Refinement 6. Laufzeit- und Speicherplatzkomplexität 7. Der Hemi-Cube 8. Projektion auf einen Hemi-Cube 9. Schlusswort 18 / 26

19 GUI der Lernanwendung Navigation-Tree Texte Pseudo-Code 3D-Darstellung 19 / 26

20 3D-Szenen Szene 1 Szene 2 Die 3D-Szenen dienen der Verdeutlichung der Theorie Beide Szenen wurden mit einem eigens implementierten Radiosity-Renderer berechnet 20 / 26

21 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 21 / 26

22 Fazit Die Lernanwendung hat folgende Eigenschaften: enthält erklärende Texte Auswirkungen von Radiosity auf eine Szene und die einzelnen Schritte des verwendeten Algorithmus werden erläutert und dargestellt höherer Interaktionsgrad als reine Animationen Repräsentationsform der Szenen kann variiert werden freie Bewegung der Kamera GUI-Design berücksichtigt gestalterische Richtlinien (u.a. 8 goldenen Regeln des Interface Designs nach Shneiderman) Kurs folgt durch Verwendung der Templates den gestalterischen Richtlinien und Qualitätskriterien der LernBar 22 / 26

23 Ausblick Mögliche Weiterentwicklungen: Schnittstelle für eine direkte Kommunikation zwischen LernBar-Kurs und Lernanwendung Integration des Kurses in die Lernanwendung flexiblere Testfragen (z.b. Reaktion auf die Antwort, zufällig oder wiederholt stellen) 23 / 26

24 1 Motivation 2 Grundlagen 3 State Of The Art 4 Konzept 5 Umsetzung 6 Fazit und Ausblick 7 Demonstration 24 / 26

25 Demonstration 25 / 26

26 Ende Noch Fragen? 26 / 26

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