Modellieren und Visualisieren

Transkript

1 Modellieren und Visualisieren 1

2 Modellieren und Visualisieren 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit 2. Geschichte der Computergrafik 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung und Entwicklung verschiedener Renderalgorithmen 5. Typischer Workflow einer Architekturvisualisierung 6. Beispiele Architekturrenderings und Animationen 2

3 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit 3

4 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung Mittelalter Pieter Brueghel der Ältere - Der Turmbau zu Babel

5 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung Renaissance "Perspectivae" Andrea Pozzo ( ) 5

6 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit 6 Andrea Pozzo ( )

7 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Andrea Pozzo, St. Ignatius in Rom 7

8 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Piero della Francesca - Ideal City (c. 1470) 8

9 Architekturdarstellung Renaissance Filippo Brunelleschi - St. Lorenzo, 15. Jhdt. 9

10 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Filippo Brunelleschi - Santa Maria del Fiore

11 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Analoge Werkzeuge zur Darstellung einer Perspektive Brunelleschi Dürer(1525) 11

12 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung Barock Pierre Patel Perspective View Of The Chateau, Gardens And Park Of Versailles Seen From The Avenue De Paris,

13 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung Klassizismus Giovanni Battista Piranesi 18. Jhdt 13

14 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Vedutenmalerei Francesco Guardi, Dogenpalast in Venedig 2. Hälfte 18. Jh. 14

15 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Vedutenmalerei Giovanni Antonio Canal Il Campo di Rialto. 15

16 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung in der Romantik Karl Friedrich Schinkel Gotischer Dom am Wasser

17 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Photomontage: El Lissitzky - Wolkenbügel

18 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Bruno Taut

19 Architekturdarstellung 20. Jhdt. vor der Computerrevolution Tony Garnier 19

20 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Theo van Doesburg (1918) und GR Barcelona Pavilion, Mies van der Rohe (1927) 20

21 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Le Corbusier Ville Radieuse 21

22 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Archigram

23 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Zeichnung: Aldo Rossi

24 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert teatro del mondo - Aldo Rossi

25 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Bernard Tschumi

26 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Zaha Hadid Fire Station Design Study, Weil am Rhein

27 1. Entwicklung der Architekturdarstellung in der Vorcomputerzeit Architekturdarstellung im 20. Jahrhundert Zaha Hadid Fire Station Design Study, Weil am Rhein

28 2. Geschichte der Computergrafik 28

29 2. Geschichte der Computergrafik 1950er Jahre Speichereinheit Whirlwind Whirlwind -Computer ( ) erster Echtzeit-Digitalrechner, der die Bahn eines springenden Ball berechnete Darstellung in Echtzeit mit Ausgabe über eine Kathodenstrahlröhre LightPen als Eingabe (1949) MIT SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) System zur Luftraumüberwachung eine Art interaktiver Grafik-Software Als Rechner dient der Whirlwind Großrechner Whirlwind Ende der 50er Jahre Computer-System zur grafisch unterstützten Konstruktion von Autos (General Motors und IBM) SAGE 29

30 2. Geschichte der Computergrafik 30

31 2. Geschichte der Computergrafik 1960er 1961 Ivan Sutherland, Sketchpad Dissertation am MIT interaktives Zeichnen am Bildschirm Eingaben mittels Lichtgriffel/Tastatur Mitte der 60er Jahre erstes frei erhältliche Computer-Grafik- Terminal, IBM Entwicklungen im Zeichnen der Vektorgraphik (Strichzeichnungen und Drahtmodelle von 3D-Objekten) ca. 28 computer-animierte Kurzfilme (USA) 1965 Erstes kommerzielles Vektor-Display von IBM (Preis ca $) 31

32 2. Geschichte der Computergrafik 1970er 1975 erste 3D-Programme für den CAD-Einsatz 1976 Verwendung einer Computergrafik in Futureworld - animiertes Drahtgittermodell einer Hand (Edwin Catmull) 1978 Programmiersprache C -nach fünfjähriger Entwicklung 1979 George Lucas gründet in seiner Firma Lucasfilm eine Abteilung für Computergrafik, namens Lucasfilm Computer Graphics Group (später bekannt als PIXAR) Ende 70er erster RAM-Chip (random access memory) mit einer Speicherkapazität von 1024bit beschreibbarer 1 KiloBit-Chip: Durchbruch der Rastergrafik 32

33 2. Geschichte der Computergrafik 1970er 1971 bzw Shading Verfahren (Gouraud, Phong) 1974 Texturierung (Catmull) 1975, bzw Beleuchtungsverfahren (Phong, Blinn) 1975 Legendärer Utah Teapot 1977 Schattenwurf (Crow) 1979 Erstmalige Darstellung von Spiegelung, Reflexion und Transparenz mit dem Raytracing-Verfahren 33

34 2. Geschichte der Computergrafik Eine der ersten Computergrafiken mit Lichtspiegelungs- und Brechungseffekten Spheres and Checkerboard John Turner Whitted 34

35 2. Geschichte der Computergrafik 1980er Alias REYES 1980 Erste IBM- und Apple-Rechner mit grafischer Oberfläche 1981 IBM führt den CGA-Standard ein. 320x200 Pixel/4 Farben 1981 Erstes Rendering-System REYES ( Rendering Everything You Ever Saw von Loren Carpenter für LucasFilm, wird später u. a. zu Renderman weiterentwickelt) 1983 Alias Research Ziel: Entwicklung einer leicht zu bedienenden 3D Software, im Bereich des Industrie-Designs 1984 PC/AT (Personal Computer Advanced Technologie) PC: mit Festplatte, mit schnellen Mikroprozessor von Intel, Grundstein für professionelle Computer-Graphik-Systeme im PC Bereich 35

36 2. Geschichte der Computergrafik 1980er 1985 AMIGA von Commodore, im Juli in NY vorgestellt - der erste grafikfähige Mikrocomputer Amiga 1986 kauft Steve Jobs (Apple Inc.) die Fa. PIXAR auf Erster Pixar Kurzfilm 36

37 2. Geschichte der Computergrafik 1980er 1982 erstes Bildschirm 3D CAD Firma AutoDesk gegründet CAD 3D, Atari ST Easy 3D, Mac 37

38 2. Geschichte der Computergrafik 1980er / 1990er Juggler 1986 Shareware ray-tracer im Amiga World Magazine werden Abbildungen gezeigt, die eine mit der 3D-Software Caligari geschaffene Stadtansicht zeigen 1986 Juggler erste bekannte Animation auf einem Amiga, der berühmte Juggler von Dr. Eric Graham (mit Raytracing) 1997 Geri s Game Erste Anwendung von Subdivision- Surface-Technologie Geri s Game 38

39 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung 39

40 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Architekturvisualisierung ist die Gesamtheit der Verfahren und Methoden, ein Bauwerk oder eine städtebauliche Situation über die Sinnesorgane erlebbar zu machen - in der Regel durch grafisch-geometrische Techniken hier: computergestützte Arbeits- und Vermittlungswerkszeuge im Entwurfs- und Planungsprozess 40

41 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Polygonmodellierung Google Sketchup, Autodesk 3dsMax, Cinema4D, Autodesk Maya, u.v.a. Subdivision Surface Modellierung Autodesk Maya, 3dsMax, Cinema4D, T-Splines for Rhino, u.v.a. NURBS Modellierung McNeel Rhinoceros (Rhino3D), Autodesk Maya, u.v.a. BIM Modellierung ( : 4.Vorlesung: BIM und sustainable Design Methods) 41

42 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Polygonmodellierung Google Sketchup, Autodesk 3dsMax, Cinema4D, Autodesk Maya u.v.a. Subdivision Surface Modellierung Autodesk Maya, 3dsMax, Cinema 4D, T-Splines for Rhino, u.v.a. NURBS Modellierung McNeel Rhinoceros (Rhino3D), Autodesk Maya, u.v.a. BIM Modellierung ( : 4. Vorlesung: BIM und sustainable Design Methods) 42

43 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung 3ds Max von den Anfängen bis heute 43

44 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Interface D Studio DOS 44

45 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Interface D Studio MAX R2.5 45

46 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Interface 2008 Autodesk 3ds Max Design

47 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Interface 2010 Autodesk 3ds Max Design

48 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Polygonmodellierung Autodesk 3ds Max Design

49 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Rhinoceros NURBS Modellierung for Windows 49

50 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Der Rhino-Bildschirm 50

51 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung NURBS Kurven Non-Uniform Rational B-Splines (deutsch: Nicht-uniforme rationale B-Splines, kurz NURBS) sind mathematisch definierte Kurven oder Flächen, die im Computergrafik-Bereich, beispielsweise im CGI oder CAD, zur Modellierung beliebiger Formen verwendet werden. (Wikipedia) 51

52 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung NURBS Flächen Mesh/Drahtgittermodell NURBS V Modell U 52

53 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung NURBS Objekttypen in Rhino - Geometrieobjekte Punktobjekte Kurvenobjekte Surfaces Polysurfaces Meshes NURBS MESH 53

54 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Subdivision Surface Modellierung / Boxmodeling Organisches Modellieren mit polygonalen Grundformen 54

55 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Subdivision Surface Modellierung / Boxmodeling Organisches Modellieren mit polygonalen Grundformen 55

56 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Subdivision Surface Modellierung / Boxmodeling mit T-Splines for Rhino 56

57 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung T-Splines: SDS-Modellierung Beispiele 57

58 3. Computerunterstützte Architekturmodellierung Kunsthaus Graz - Blobitecture 58

59 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung 59

60 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Faktoren, die die Entwicklung der Architekturvisualisierung mit dem Computer maßgeblich beeinflussen. Renderingalgorithmen vs. Rechenleistung CPU-Speed Metropolis Light Transport Photonmapping Radiosity Raytracing Tone Mapping Phong Shading Wireframe Scanline Zeit 60

61 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Virtuelle Kamera 61

62 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Rendering Algorithmen Schnellster Algorithmus Sehr einfach Abtasten Linie für Linie (schlecht parallelisierbar) Keine realistischen Reflektionen Keine Sekundärbeleuchtung Daher geringer Realismus / Realistische Effekte müssen imitiert werden Gut für schnelle Animationen 62 Scanline Rendering

63 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Schatten Shadow Map Extrem schnell Wenig realistisch In Verbindung mit Scanline, die schnellste Kombination zu Rendern 63 Scanline Rendering

64 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Faktoren, die die Entwicklung der Architekturvisualisierung mit dem Computer maßgeblich beeinflussen. Renderingalgorithmen vs. Rechenleistung CPU-Speed Metropolis Light Transport Photonmapping Radiosity Raytracing Tone Mapping Scanline Phong Shading Zeit 64

65 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Rendering Algorithmen Langsamer als Scanline Kann gut mit Scanline kombiniert werden Strahlenverfolgung realistische Reflektionen und Lichtbrechungen durch rekursives Raytracing Realistische Schatten Keine diffuse Sekundärbeleuchtung Höherer Realismus 65 Standard Raytracing

66 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Standard Raytracing Schatten (Hard Shadows) Punktlicht 66 3 sec

67 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Weiche Raytracing Schatten (Soft Shadows) Preview Flächenlicht (Kugel) 67

68 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Faktoren, die die Entwicklung der Architekturvisualisierung mit dem Computer maßgeblich beeinflussen. Renderingalgorithmen vs. Rechenleistung CPU-Speed Metropolis Light Transport Photonmapping Radiosity Raytracing Tone Mapping Scanline Phong Shading Zeit 68

69 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) NICHT mit Mental Ray ->Standard Scanline Renderer F10 -> Common-> Assign Renderer -> Default Scanline Renderer F10 -> Advanced Lighting -> Radiosity Blickpunkt unabhängig Die Polygone der Objekte werden adaptiv verkleinert und der Energieeintrag wird für jedes Polygon ermittelt Solution 3min, Render 1 sec Radiosity 69

70 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Subdivided Mesh 70 Radiosity

71 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Subdivided Mesh 71 Radiosity

72 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Radiosity-Solution 19 min, Render 4 sec 72 Radiosity

73 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Faktoren, die die Entwicklung der Architekturvisualisierung mit dem Computer maßgeblich beeinflussen. Renderingalgorithmen vs. Rechenleistung CPU-Speed Metropolis Light Transport Photonmapping Radiosity Raytracing Tone Mapping Scanline Phong Shading Zeit 73

74 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Über einem Punkt wird eine Hemisphäre gedacht Innerhalb dieser Hemisphäre wird ein Strahlenbündel abgeschossen Jeder Strahl sammelt die Lichtinformationen die dann gemittelt werden Unterstützt mehrere Reflektionen Kann schnell sehr rechenaufwändig werden Für jede Szene können andere optimale Einstellungen gelten 74 Mental Ray - nur Final Gather

75 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) 75 Mental Ray - nur Final Gather

76 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Partikelverfolgung (vgl. Raytracing) von der Lichtquelle ausgehend Die Photonen speichern einen Energiewert der mit 1/x² standardmässig abnimmt Die Photonen besitzen eine Makroskopische Ausdehnung (z.b. 1 m) Der für mental ray pysikalisch genaueste Algorithmus 10 sec 76 Mental Ray - Photon Mapping

77 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) 50 Mio Photonen ohne final Gather Immer noch Artefakte (Renderfehler) Arbeitsspeicher wird knapp 7 min 24 sec 77 Mental Ray - Photon Mapping

78 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) 10 sec GI default 8 sec FG diffuse - Bounces 0 (draft) 78 Mental Ray - Global Planungsgrundlagen Illumination CAAD + Final Gather

79 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Draft GI = Optimize for Final Gather anschalten 8 sec Mental Ray - Global Illumination + Final Gather 79

80 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Indirekte Beleuchtungsalgorithmen (Diffuse Reflektionen, Global Illumination) Finale Version mit mittleren Einstellungen FG = medium GI = Photonen 1 min 20 sec Mental Ray - Global Illumination + Final Gather 80

81 Faktoren, die die Entwicklung der Architekturvisualisierung mit dem Computer maßgeblich beeinflussen. Renderingalgorithmen vs. Rechenleistung CPU-Speed Metropolis Light Transport / iray Photonmapping Radiosity Raytracing Tone Mapping Scanline Phong Shading Zeit 81

82 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Mental Ray iray 15 min+ Physikalische Berechnung der Lichtverteilung 82

83 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Image Based Lighting mit HDRI High Dynamic Range Image 83

84 4. Computerunterstützte Architekturvisualisierung Image Based Lighting mit HDRI High Dynamic Range Image als einzige Lichtquelle und Umgebung 84

85 5. Typischer Workflow einer Architekturvisualisierung 3D Modellierung: 3D Rendering: Nachbearbeitung: Rhino3D 3ds Max Photoshop 85

86 6. Beispiele Architekturrenderings 86

87 6. Beispiele Architekturrenderings 87 3ds Max / Mental Ray

88 6. Beispiele Architekturrenderings 88

89 6. Beispiele Architekturrenderings 89

90 6. Beispiele Architekturrenderings 90 3ds Max / V-Ray

91 6. Beispiele Architekturrenderings 91

92 6. Beispiele Architekturrenderings Metropolis Light Transport: Hyperrealismus mit neuen Algorithmen Maxwell Render 92

93 6. Beispiele Architekturrenderings Metropolis Light Transport: Hyperrealismus mit neuen Algorithmen Maxwell Render 93

94 6. Beispiele Architekturrenderings Metropolis Light Transport: Hyperrealismus mit neuen Algorithmen Maxwell Render 94

95 6. Beispiele Architekturrenderings Metropolis Light Transport: Hyperrealismus mit neuen Algorithmen Maxwell Render 95

96 6. Beispiele Architekturrenderings Metropolis Light Transport: Hyperrealismus mit neuen Algorithmen Maxwell Render 96

97 Andere Konzepte NPR-Rendering (Non-Photorealistic Rendering) 97

98 Gegenwart und Zukunft in der Architekturvisualisierung Realistischere Shader effizientere Algorithmen GPU / Grafikkartenunterstützte Renderings Eine neue Dimension: Vom Still- Image zur Realtime -Darstellung Vorreiter Computerspiele 98

99 Gegenwart und Zukunft in der Architekturvisualisierung Bereits Realität: Realtimewerkzeug für Architekturvisualisierung (Luxion) Die Nutzung der Eigenschaften moderner Grafikkarten macht es möglich 99

100 Gegenwart und Zukunft in der Architekturvisualisierung Bereits Realität: Realtime Architekturvisualisierung (Twinmotion) Simulation von Kameraeffekten in Echtzeit mit Hilfe von GPU-Unterstützung 100

101 Gegenwart und Zukunft in der Architekturvisualisierung Bereits Realität: Durch den Einsatz moderner Renderengines und zusätzlicher digitaler Nachbearbeitung wie sie im Filmgeschäft üblich ist (Postprocessing) erreichen moderne Architekturvisualisierungen ein hohes Maß an cinematografischer Qualität (Alex Roman, 3dsMax + V-Ray-> Adobe After Effects + Plugins) 101