Raytracing. Schlussbericht. Jonas Lauener 1995, Áedán Christie 1997 Melvin Ott 1997, Timon Stampfli 1997

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1 Raytracing Schlussbericht Jonas Lauener 1995, Áedán Christie 1997 Melvin Ott 1997, Timon Stampfli 1997 bei Betreuer Marco Manzi, Institut für Informatik und angewandte Mathematik

2 Inhalt Fragestellung... 2 Vorgehen und Methoden... 2 Resultate... 3 Geometrische Objekte... 3 Beleuchtungsmodell... 3 Kamera... 4 Licht... 4 Reflexion und Refraktion... 4 Multithreading... 4 Diskussion... 4 Dank

3 Fragestellung Was ist Raytracing, und wie funktioniert es? Wie kann ein Raytracer in Java implementiert werden? Worin liegen die Vor- bzw. Nachteile des Raytracings? Jene Fragen begleiteten uns durch die Woche und gaben uns einen Rahmen mit dem wir unsere Arbeit gliedern konnten. Vorgehen und Methoden Zu Beginn hatten wir nur eine vage Vorstellung um was genau es sich beim Raytracing handelt und wie genau diese funktioniert. Jedoch konnte uns unser Betreuer Marco Manzi das Prinzip zu Augen führen: Raytracing ist eine Technik um realistische Bilder im Computer zu simulieren. Dies wird durch Berechnen des Lichtes erreicht. Der Computer berechnet dabei den Pfad einzelner Lichtstrahlen. Dabei werden die Lichtstrahlen von der Kamera anstatt der Lichtquelle aus gesendet. So werden nur jene Lichtstrahlen berechnet, die auch wirklich das Sichtfeld der Visualisierung des Raytracings Kamera treffen. Anschliessend teilten wir uns in zwei Gruppen auf: Timon und Melvin bildeten die Eine, Jonas und Áedán die Andere. Wir arbeiteten wohl am gleichen Projekt, jedoch an verschiedenen Aufgaben. Timon und Melvin konzentrierten sich auf Erstellung von neuen Materialien und Lichtquellen, Jonas und Áedán auf Geometrische Objekte und Kameramodelle. Die meiste Zeit arbeiteten wir zu zweit an einem Computer. Dadurch konnten wir uns gegenseitig unterstützen. Den Code synchronisierten wir mittels einem Git- Repository. Dieses verursachte relativ viele Probleme mit dem zusammenführen der beiden Versionen. 2

4 Resultate Das Resultat unserer Arbeit ist die fertige Implementierung des Raytracers. Der Quellcode kann auf https://github.com/mmanzi/raytracer eingesehen werden. ohne Tiefenschärfe mit Tiefenschärfe Würfel mit Spiegel Würfel mit Spiegel Geometrische Objekte Wir programmierten einige geometrische Objekte wie die Kugel, das Dreieck, das Rechteck oder den Würfel. Nur mit Geometrischen Objekten kann man andere Objekte wie zum Beispiel Häuser darstellen. Um ein Objekt darzustellen muss man prüfen, ob die Lichtstrahlen darauf treffen. Beleuchtungsmodell Mit Hilfe von neuen Beleuchtungsmodellen wie dem Blinn-Phong-Beleuchtungsmodell kann man Objekte realistischer rendern. Damit kann man verschiedenste Materialien rendern. Die 3

5 Beleuchtungsmodelle unterscheiden sich nur in der Anzahl der Materialkonstanten und der Berechnung des endgültigen Farbwertes. Kamera Wir haben zwei Kameras implementiert: Eine mit veränderbarer Position und Richtung und eine Kamera die mit Tiefenunschärfe wesentlich realistischere Bilder erzeugt. Die Tiefenunschärfe funktioniert mithilfe der Einführung einer Fokalebene, die sich in einer festgelegten Distanz zur Kamera befindet. Es wird nun der Ursprung des Lichtstrahles um einen Zufallswert verschoben. Dies wird mehrfach wiederholt und ein Mittelwert daraus errechnet. Befindet sich ein Objekt auf der Fokalebene, so wird dieser Mittelwert dem Wert ohne die Tiefenunschärfe entsprechen, somit ist es im Fokus und erscheint nicht verschwommen. Licht Wir haben zwei Sorten von Lichtquellen: Lichtquellen bei denen das Licht aus einem Punkt kommt, sowie Lichtquellen, die unendlich weit weg sind und einfach von einer Richtung leuchten (wie die Sonne). Zu den Lichtquellen gehört auch der Schatten. Kommt ein Strahl von einem Objekt nicht zu einer Lichtquelle, so wird das Objekt an dieser Stelle nicht von dieser Lichtquelle beleuchtet. Reflexion und Refraktion Um Objekte zu entwickeln, die ihre Umgebung spiegeln, muss man zusätzlich einen weiteren Strahl vom Objekt losschicken. Dabei gilt für den neuen Strahl: Einfallswinkel des alten Strahls gleich Ausfallswinkel des neuen Strahls. Um Objekte zu entwickeln, bei denen man durchsehen kann, muss man Refraktion implementieren. Dabei wird ein Strahl vom Objekt abgeschickt. Dieser wird je nach Material in eine andere Richtung geschickt. So entsteht der Effekt der Lichtbrechung. Multithreading Mithilfe von Multithreading konnten wir die Berechnung der Szene auf mehrere CPUs verteilen und so schneller die Szene berechnen. Diskussion Raytracing benötigt sehr viel Rechenleistung, da das Programm für jeden Lichtstrahl überprüfen muss, ob dieser auf ein Objekt trifft. Dies benötigt sehr viel Zeit, so dass unserer Programm einige Sekunden braucht, um ein Bild zu errechnen. Der Algorithmus liesse sich noch weiter optimieren und es könnten spezielle Techniken angewandt werden, um schnellere und bessere Resultate zu erreichen. In unserer Woche, war dafür die Zeit nicht ausreichend. Trotzdem sind waren wir überrascht, wie wir in so kurzer Zeit einen eigenen 3D-Renderer programmieren konnten. Damit konnten wir einige beeindruckende Bilder produzieren. Des Weiteren könnte man mit Effekten wie globaler Belichtung oder der Berechnung einzelner Lichtteilchen anstelle von Strahlen die Qualität und Realitätsnähe der Ausgabe zusätzlich verbessern. Man könnte das Programm noch mit einem Parser, der Pseudocode ausliest und in Code übersetzt, erweitern. Somit wäre die Bedienung ein bisschen einfacher und man könnte auch Mesh-Dateien importieren. Dank Wir danken der Universität Bern, der Stiftung Schweizer Jugend Forscht und im speziellen der Hasler Stiftung, dass sie uns diese Woche ermöglicht haben. In dieser Zeit konnten wir unseren Horizont um viel interessantes und nützliches Wissen erweitern. Wir danken auch insbesondere unserem Betreuer, Herrn Marco Manzi, für die Instruktion und Weitergabe seines Wissens. 4

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