- 3D Modelling & Renderer -

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1 Referat zum Thema: Darstellung virtueller Welten - 3D Modelling & Renderer - Gruppe 3: Schilberg, Pfost, Möhle, Mertens Jan Möhle CAD-Programme 1

2 Begriff Rendern Darstellung virtueller Welten Rendern (von engl. to render = wiedergeben, vortragen) bezeichnet den Vorgang aus Rohdaten durch Anwendung geeigneter Verfahren neue Daten zu generieren. In der Computergrafik,, besonders der 3D-Computergrafik, wird durch das Rendern aus der Beschreibung einer Szene (Objekte, ihre Position und Eigenschaften) ein Bild erzeugt. Man unterscheidet hierbei zwischen Echtzeit-, fotorealistischem und nichtphotorealistischem Rendering. Im Bereich der Virtual Reality gibt es zusätzlich noch das so genannte haptische Rendering, mit dem virtuelle Gegenstände nicht nur gesehen sondern auch mit dem Tastsinn wahrgenommen werden können. 2

3 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Hidden-Line Verdeckte Linien Berechnung "unsichtbare" Linien bzw. Liniensegmente werden erkannt und aus dem Bild entfernt das Resultat kann wieder eine CAD-fähige Zeichnung sein, die aus Vektoren besteht 3

4 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Gouraud-Shading ein 1971 von Henri Gouraud vorgestelltes Verfahren Eck-Farbwerte werden interpoliert weiche Farbverläufe zwischen den Polygonflächen (d. h. eine gleichmäßige Schattierung) erzeugt nur matte Objektoberflächen können dargestellt werden, die das Licht gleichmäßig und ungeordnet in alle Richtungen streuen dadurch erhalten die Objekte ein plastikähnliches Aussehen (Transparenz, Schatten, Spiegelungen, Materialeigenschaften wie Texturen usw. werden nicht berücksichtigt) 4

5 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Phong-Shading Interpolation der Normalen-Vektoren dadurch sind sowohl weiche Farbverläufe, wie auch Glanzpunkte möglich wirkt wesentlich realistischer als Gourand-Shading Gouraud-Shading Phong-Shading 5

6 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Scanline Rendering zur Darstellung von 3D-Grafik in Echtzeit verwendet in der Regel über OpenGL oder DirectX umgesetzt Pixelgruppen, so genannte Scanlines, werden gefunden eine Scanline sind Pixel einer Zeile, die jeweils der gleichen Oberfläche zugeordnet werden können für jeden Punkt der Scanline, wird zunächst ein Satz von U/V-Koordinaten errechnet (die Koordinaten des Pixels werden in das Koordinatensystem der Oberfläche transformiert) mit diesen U/V-Koordinaten kann dann der Farbwert des Pixels durch Interpolation errechnet werden deutlich schneller als Raytracing oder Radiosity 6

7 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Raytracing "Strahlverfolgung ein Verfahren der 3D-Computergrafik zur Erzeugung (meist) fotorealistisch wirkender Bilder aus 3D-Daten in die Berechnung der Reflexionen und Schatten werden alle anderen Objekte der Szene miteinbezogen es wird als ein globales Beleuchtungsverfahren (engl. Global Illumination) bezeichnet Alle hochwertigen Renderer benutzen das Raytracing, meist in Kombination mit weiteren Verfahren um auch die diffuse Beleuchtung besser simulieren zu können. 7

8 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Raytracing Raytracing-Berechnungen sind sehr zeitintensiv Raytracing wird vornehmlich bei der Erzeugung von Darstellungen eingesetzt, bei denen eher die Qualität als die Berechnungszeit im Vordergrund steht In Bereichen wie der Virtuellen Realität, in der räumliche Darstellungen in Echtzeit berechnet werden müssen, spielt Raytracing derzeit keine Rolle 8

9 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Radiosity globales Beleuchtungsmodell beruht auf dem Energieerhaltungssatz: Alles Licht, das eine Fläche empfängt und nicht absorbiert, muss sie wieder emittieren eine Fläche kann auch selbstleuchtend sein. für jede Fläche wird eine Gleichung aufgestellt, die das emittierte Licht aus dem von den anderen Flächen empfangenen Licht und evtl. ihrer eigenen Leuchtkraft bestimmt es ergibt sich ein Gleichungssystem, dessen Lösung die Helligkeit jeder einzelnen Fläche angibt 9

10 Renderverfahren Darstellung virtueller Welten Radiosity ein Vorteil des Radiosity-Verfahrens ist, dass die Berechnung vom Standort und Blickwinkel des Betrachters unabhängig erfolgt die Radiosity-Berechnungen müssen so für eine Szene nur ein Mal berechnet werden danach kann die Szene in Echtzeit gerendert werden, was für Anwendungen wie virtuelle Architekturmodelle interessant ist das Ergebnis sind fotorealistische Bilder Radiosity wird von PC-basierenden Rendering-Programmen selten unterstützt 10

11 CAD-Nutzerumfrage bei DER ENTWURF ( ) Welche 3D-Modelling Software wird genutzt? XL 18% Form Z 11% 19% 5% 3D Studio Max 36% 3D Studio Viz 11% 11

12 3D Modeling Animation Rendering Visuelle Effekte The Last Samurai The Matrix Reloaded Star Trek Nemesis Computerspiele (80% der Spieleentwickler arbeiten mit 3D Studio Max) Max Payne 2 Need for Speed: Underground Battlefield 1942 Visualisierung (Design) PSA, Peugeot Citroën Bombardier Jets Metro Airport, Detroit 12

13 Systemvoraussetzungen min. CPU 300Mhz (Dual Intel Xeon oder Dual AMD Athlon System empfolen) min. 512 MB RAM und 500 MB Swap space (1GB RAM und 2GB swap space empfolen) Graphikkarte mit 1024 x 768 Auflösung und 16-bit color mit 64MB RAM (3D Graphikkarte mit1280 x 1024 Auflösung und 24-bit color mit 256MB RAM empfolen) Kosten 121 (Studentenversion) bis 5142,50 13

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16 High-End Renderingprogramm für Architekturmodelle (ArchiCAD, Arc+, Vectorworks) liefert professionelle fotorealistische Bilder und Animationen Riesige Auswahl von Oberflächenmaterialien, Farben, Perspektiven und Lichtquellen Hohe Geschwindigkeit Bearbeitung der Oberflächen in Echtzeit in der 3D-Szene Importformate: OPT/DB, ART, DWG, DXF, IGES, VRML, QD3D, 3D Studio, Electric Image und RIB 16

17 Exportformate: TIFF, PICT, TGA, BMP, AVI, EPIX (Piranesi), QuickTime Movie und QuickTime VR Kosten ca. 560 bis

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19 Einsatzgebiete Produktdesign Screendesign Architektur Visualisierung fotorealistische Charakteranimation komplexe wissenschaftliche Simulationen Spiele-Entwicklungen Spezialeffekte viele Modellierwerkzeuge umfangreiche Animationsfunktionen leistungsstarker Renderer frei konfigurierbare Benutzeroberfläche Kosten 699 (Basisversion) bis 3249 (Studio Bundle) 19

20 Systemvoraussetzungen Windows 2000/XP oder Mac OS X 10.3 min. CPU 1 GHz (CPU ab 2 GHz empfohlen) min. 512 MB RAM (1024 MB RAM empfohlen) Zahlreiche Datenformate für Import / Export werden unterstützt 20

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23 professionelle Software für 3D-Modeling, Animation und Rendering führende 3D-Animations Software im Filmsektor (ca. 40%) Shrek Final Fantasy usw. Oscar prämiert Systemvoraussetzungen Kosten Windows 2000/XP, RedHat Linux oder Mac OS X 10.3 P II oder höher, Macintosh G4 oder höher min. 512 MB RAM 2099 ( Comlete 6) bis 7349 ( Unlimited 6) 23

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26 statischer 3D Modeller u.a. mit VRML97 export in Java geschrieben und damit verfügbar für alle Betriebssysteme Verfügt über keine 3D Hardwarebeschleunigung Open Source / free Software Verfügt über die wichtigsten 3D Modeling Operationen Kann Animation und Texturierung Ist für VRML zur Zeit nur zur Herstellung statischer Objekte geeignet 26

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29 3D-Landschaftsgenerator Zur Erstellung fast photorealistischer Bilder Einfache Bedienung Freeware für den privaten Gebrauch maximale Bildgröße von 1280x960 Pixel (Freeware) Bilder können als Bitmapdateien abgespeichert werden und so in weiteren Programmen bearbeitet werden 29 Systemvoraussetzung Windows 95, 98, 2000, NT und XP Pentium I mit 32 MB RAM (empfolen Pentium II mit 64 MB RAM)

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32 3ds max 32

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