(13) Hot Topics. Vorlesung Computergrafik T. Grosch

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1 (13) Hot Topics Vorlesung Computergrafik T. Grosch

2 Heute Vorstellung der besten Flugsimulatoren Hot Topics T. Grosch - -

3 Warum Hot Topics? Typischerweise i Computergrafik 1 : Grundlagen, konstant Computergrafik : aktuelle Themen, veränderlich Es gibt hier keine weiterführende Grafikvorlesung Auf andere Veranstaltungen verteilt

4 Advanced OpenGL Siehe Vorlesung g GPU Programmierung g (Bachelor, Sommersemester) Blending Fog Stencil Buffer Spiegel, Schatten, Zugriffe auf Pixel zählen Display Listen Geometrie schnell zeichnen Buffer Objects Geometrie noch schneller zeichnen T. Grosch - 4 -

5 Shader Programmierung Pipeline ist programmierbar Vertex/Fragment/Geometry t/g t /Tessellation Shader OpenGL Shading Language (GLSL) Siehe Vorlesung g GPU Programmierung g (Bachelor, Sommersemester) Vertex Shader Multi-Pass Rendering Multiple Render Targets Deep Framebuffer Fragment Shader T. Grosch - 5 -

6 Grafikkarten heute DirectX 11 Objekt-Orientiertes Oi ti t Programmieren im Shader Tesselierung Multi-Threading: mehrere Hundert parallele Threads möglich GPGPU - Compute Shader Siehe Vorlesung GPU Programmierung (Bachelor, Sommersemester) Input-Assembler Vertex Shader Hull Shader Tessellator Domain Shader Beliebige Berechnungen auf GPU Geometry Shader CUDA, OpenCL Stream Output t Rasterizer Pixel Shader Output Merger Radeon HD ATI Geforce GTX Nvidia T. Grosch - 6 -

7 OpenGL ES / WebGL Mobile Geräte 3D Grafik auf Webseiten T. Grosch - 7 -

8 Szenengraphen z.b. OpenSG, OpenScenegraph, Hierarchische Anordnung der Szenengeometrie Funktionen für Szene einladen Effizientes Rendering (View Frustum Culling, Occlusion Culling, State Change Minimierung, ) Multi-Prozessor, Multi-Threading Navigation Kollisionserkennung T. Grosch - 8 -

9 Beispiel: Clustering mit OpenSG NCSA: 4 x 5 Wall, mono IGD HEyeWall: 6 x 4 Wall, stereo HEyeWall: 6 x 4 Meter Stereo projection 6 x 4 images in Stereo (resolution 104 x 768/tile) 48 projectors PC-Cluster (48 PCs) OpenSG 6144 x 3096 Pixel brightness T. Grosch - 9 -

10 Animationen / Simulationen Physik Menschmodelle Kinematik, Skinning, Simulation von Stoff Masse-Feder Modelle,. Siehe GPU Programmierung Flüssigkeiten Navier-Stokes siehe FlowVis Vorlesung Prof. Theisel MPI Informatik Quaternionen Interpolation von Position / Orientierung Fraunhofer IGD TU München T. Grosch

11 Geometrische Datenstrukturen object Object surface surface surface Surfaces polygon polygon polygon polygon polygon Edges/ vertices Vertex Polygons e 0 e 1 e e 3 e n Edges Edge v 0 v 1 v v 3 v n Vertices Zusammenhang der Oberfläche, nicht einfach nur Liste von Polygonen T. Grosch

12 Winged-Edge Datenstruktur Jede Kante wird nur einmal A abgespeichert Die konkrete Speicherung ist b nicht eindeutig, führt aber a immer zum gleichen Ergebnis c d 0 1 B e edge vertex 1 vertex face links face rechts Vorg. links Nachf. links Vorg. rechts Nachf. rechts a B A 0 1 c b d e T. Grosch - 1 -

13 Winged-Edge: Beispiel edge vertex 1 vertex face links face rechts Vorg. links Nachf. links a A D 3 0 f e c b A 0 f 1 Vorg. Nachf. rechts rechts b c d a D e 3 C b A B 0 a c d f c B D 0 1 b a e d B d B C 1 c e f b vertex edge face edge e C D 1 3 d c a f A a 0 a f C A 3 e a b d B d 1 c Zusätzlich speichert man sich (je nach Bedarf) Einstiegspointer für jede Ecke oder Fläche C D d e 3 d a T. Grosch

14 Punkte Sie sind oft das Ergebnis von Digitalisierungsverfahren, wie etwa Laserscans, bildgebenden Verfahren, Radarscans etc. Problem: Triangulierung zur (P. Neugebauer, Polygon Technology GmbH) Oberflächenerzeugung (lineare Interpolation, planare Unterteilung) oder höherwertigere Funktionen Siehe Vorlesung Mesh Processing (Dr. Rössl) T. Grosch

15 Problem der Triangulierung Triangulierung nicht eindeutig Schlecht: Triangulierung mit kleinen Dreieckswinkeln Optimum: Delaunay Triangulierung Siehe Vorlesung Mesh Processing (Dr. Rössl) T. Grosch

16 Splines Siehe CAGD Vorlesung von Prof. Theisel Bezier Splines Viele andere Arten von Splines zb z.b. BSplines B-Splines Lokale Kontrolle : Kontrollpunkt beeinflusst nicht kompletten Spline Basisfunktion ist nur in kleinem Bereich > 0 N1,3 N, 3 N3, 3 N 4, 3 T. Grosch

17 B-Splines Siehe CAGD Vorlesung von Prof. Theisel Quelle: TU Wien T. Grosch

18 NURBS Siehe CAGD Vorlesung von Prof. Theisel Non-uniform Rational B- Splines Rationale Basisfunktionen Kegelschnitte (Kreis, Ellipse, ) möglich Gewicht pro Eckpunkt P( t) = B 1 w 1 N w 1 1,3 N ( t ) + B w N ( t ) + B w N ( t ) 1,3 ( t) + w N,3,3 ( t) + w 3 3 N 3 3,3 ( t) 3,3 T. Grosch

19 Kegelschnitte mit NURBS B w = 0 Gerade Linie 3 0 < w <1 Ellipse 1 w =1 w >1 Parabel Hyperbel 1 4 w1 =1 w = 3 1 B B 1 M w = 0 3 P( t) = B 1 N 1,3 N ( t) + B 1,3 ( t) + w w N N,3,3 ( t) + B ( t) + N 3 3,3 N ( t) 3,3 ( t) T. Grosch

20 Bézier-Flächen Durch das Kontrollnetz B ij wird die Bézier-Fläche definiert: m n u, v = J u K v B ( ) ( ) ( ) Q i, m j, n i= 0 j= 0 ij T. Grosch - 0 -

21 Doppelter de-casteljau Beispiel: bi-kubisches Patch Zunächst de-casteljau für u anwenden 4 Punkte Danach de-casteljau für v anwenden T. Grosch - 1 -

22 Der Utah-Teapot: Bézier-Patches T. Grosch - -

23 Löcher: Trimming Unterteilung von getrimmten NURBS-Flächen in Dreiecke Bilder: DaimlerChrysler und Uni Bonn T. Grosch - 3 -

24 Volumen Rendering: Marching Squares Marching Cubes Siehe Vorlesung Medizinische Visualisierung von Prof. Preim Volumen mit Dichtewerten in 3D-Gitter gegeben Schwellwert festlegen: innen / außen (im Bsp. 3) Ergibt normalerweise Würfel-Modell Die Kontur kann besser dargestellt werden : C ( innerhalb ) : > C ( außerhalb ) T. Grosch - 4 -

25 Texturbasierte Verfahren Siehe Vorlesung Medizinische Visualisierung von Prof. Preim Grafikhardware ist optimiert für D-Texturen Performantere Texturzugriffe (im Vergleich zu 1D/3D) außerdem viele parallele Pixelpipelines (Nvidia G70: 4) Ausnutzen dieser Performance für Volumenrendering texturbasierte Verfahren Object-aligned ( parallel zum Volumen ) drei D-Texturstapel im Speicher Umschalten je nach Blickwinkel View-aligned ( parallel zur Bildebene ) eine 3D-Textur im Speicher Kein Umschalten, da direkte trilineare Interpolation Volumen wird durch mehrere transparente D-Texturen dargestellt T. Grosch - 5 -

26 Volume Rendering Beispiele Siehe Vorlesung Medizinische Visualisierung von Prof. Preim T. Grosch - 6 -

27 Non-Photorealistic Rendering (NPR) Rendere eine Szene, Tobias Germer sodass sie aussieht wie eine Zeichnung eines Menschen Bleistift, Kohle, Tusche, Stippling, Hatching, Dithering, Doug de Carlo Vorlesung Prof. Schlechtweg (?) T. Grosch - 7 -

28 Licht Globale Beleuchtung Siehe Vorlesung Photorealistische Computergrafik (Master, Wintersemester) Simulation aller Lichtwege von der Lichtquelle bis zum Auge Indirektes Licht, Spiegelungen, weiche Schatten, z.b. Path Tracing, Photon Mapping, (Instant) Radiosity, Ziele: Photorealistische Darstellung Echtzeitdarstellung, also mind. 5 Bilder / sek. Virtuelle 3D Szene, keine Beleuchtung Lokale Beleuchtung: Nur direktes Licht Schnell, aber künstlich Globale Beleuchtung: Photorealistisch, aber zeitaufwändig T. Grosch - 8 -

29 Stroebel et al.1986 Siehe Vorlesung Beispielbilder Photorealistische Computergrafik (Master, Wintersemester) Geomerics CryTek Bilder: Jensen, Lightscape T. Grosch - 9 -

30 Ende der Vorlesung Evaluation Viel Glück für die Klausur! T. Grosch