Überblick Echtzeit-Rendering. Uwe Domaratius

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1 Überblick Echtzeit-Rendering Uwe Domaratius

2 Gliederung 1. Einleitung 2. geometriebasierende Verbesserungen 3. Level-of-Detail 4. Culling 5. Texturen 6. bildbasiertes Rendering

3 Was ist Echtzeit-Rendering? Darstellung einer modellierten 3D-Szene mit 15 fps interaktive Beeinflussung der Darstellung (Steuerung von Kamera und/oder Objekten) Anwendungen: Spiele, Virtuelle Realität

4 Vergleich (Naumann 2001)

5 Warum ist das so kompliziert? Pixel, 20 fps Pixel pro Sekunde Szenenkomplexität oft weit über Dreiecke Jeder Punkt der Geometrie durchläuft mehrere Berechnungsschritte: Modelldaten Transformation Projektion Clipping Sichtbarkeit Beleuchtung Scan-Konvertierung

6 Beschleunigung naive Ansätze Spezialhardware (Grafikkarten mit 3D-Beschleunigung) Simplifizierung des Modells (Anzahl der Geometriepunkte verringern) brauchbare Ideen Modellierung geeignet gestalten Überflüssige Berechnungen weglassen Ersetzen aufwändiger Berechnungen durch geeignete Approximation

7 Beschleunigung im folgenden vorgestellt: geometriebasierende Ideen: Triangle Strips / Stripification Berechnungsschritte verringern: Level-of-Detail Algorithmen, Culling Algorithmen Approximation komplexer Berechnungen: Texture Maps und darauf basierende Ansätze (Bump Maps usw.)

8 Triangle Strips Vorteile Topologie bleibt erhalten statt 3n Vertices nur noch n+2 weniger Rechenaufwand für Grafikpipeline Stripification Suche nach Triangle-Strips bei gegebener Punktmenge NP-vollständig, verschiedene Heuristiken (SGI, STRIPE)

9 Triangle Strips Beispiel

10 Level of Detail Viele Objekte einer Szene beanspruchen nur wenige Pixel auf dem Bildschirm, trotzdem müssen alle Geometriepunkte dieser Objekte gerendert werden. Idee: Simplifizieren der Meshes solcher Objekte

11 Multi Resolution Meshes 162 faces 1921 faces faces (Eck et. al. 1995) einfaches Basismesh und vordefinierte Verfeinerungsoperationen Mesh muß zum Simplifizieren bestimmten Anforderungen genügen (Subdivision) fehlerbehaftetes Remeshing

12 Progressive Meshes 150 faces 1000 faces faces (Hoppe 1996) keine Anforderungen an die Gestalt des Ausgangsmeshes verlustfreie Simplifizierung simplifizierte Meshes sind wesentlich bessere Approximation des Originals (im Vgl. zu Multiresolution Meshes)

13 Culling Viele Objekte (Polygone, Meshes) in einer Szene werden von anderen verdeckt oder sind außerhalb des Blickfeldes und damit nicht sichtbar, werden aber trotzdem gerendert. Idee: einfache Sichtbarkeitstests, um diese Meshes gar nicht erst zu rendern Grundsatz: Culling-Aufwand < eingesparter Renderaufwand Backface Culling, View Frustum Culling, Detail Culling Occlusion Culling, Portal Culling benötigen in vielen Fällen Wissen über die zu rendernde Szene

14 Backface Culling alle Objekte physikalisch konsistent, nur Vorderseiten sichtbar Rückseiten sind grundsätzlich verdeckt und brauchen nicht dargestellt werden einfacher Test mittels Skalarprodukt ( N, V < 0 - sichtbar)

15 View Frustum Culling jegliche Geometrie außerhalb des Blickfeldes wird entfernt einfache Clippingtests an 6 Ebenen (4 Frustum-Ebenen, Nearund Far-Plane) Objekte werden von Bounding Volumes repräsentiert (Kugel, Quader,...)

16 View Frustum Culling

17 Detail Culling Objekte, deren Bounding-Volume weniger als eine Mindestzahl Pixel benötigt, werden nicht gerendert verändert die Darstellung der Szene

18 Detail Culling

19 Occlusion Culling verdeckte Objekte werden nicht gerendert (im Gegensatz zu Z-Buffer-Algorithmus) Wissen über Aufbau der Szene notwendig (z.b. BSP) hierarchische Organisation der Szene beschleunigt das Verfahren

20 Portal Culling Objektraum wird in Zellen unterteilt (einzelne Räume usw.) Verbindung zwischen Zellen nur durch transparente Portale (Fenster, Türen) insbesondere für Szenen in geschlossenen Objekten geeignet

21 Texture Mapping Viele Objekte enthalten charakteristische Oberflächendetails, die irgendwie dargestellt werden müssen, damit ein realer Eindruck entsteht (z.b. Bäume) Idee: Oberflächendetails nicht als Geometrieobjekte darstellen und rendern, sondern Objekt mit passendem Bitmap-Bild bekleben Vorteil: hohe visuelle Komplexität ohne großen Rechenaufwand

22 Billboards (Akenine-Möller) screen-oriented, world-oriented (z.b. für Bäume) geeignet für Feuer, Rauch, Wolken etc.

23 Impostors (Sprites) einfaches texturiertes Polygon ersetzt komplexe Geometrie Textur wird neu gerendert, wenn Blickrichtung zu stark von vorhergehendem Rendering abweicht Verzerrungen, keine Tiefeninformationen

24 Light Mapping Map enthält Beleuchtungsintensitäten ermöglicht Spotlight-Effekte, Unterwasserdarstellungen, Glanzlichter und ähnliches

25 Bump Mapping (Blinn, 1978) Viele Objekte haben zahlreiche feine Unebenheiten auf der Oberfläche (Oberflächenstruktur). Diese kann nicht nachgebildet werden, ohne äußert komplexe Geometrien zu erzeugen. Idee: Eine Textur simuliert die Unebenheiten auf einem Objekt

26 Bump Mapping Textur enthält Normalenvektoren in RGB kodiert Skalarprodukt aus Lichtvektor und Normalenvektor ergibt die Beleuchtung hohe Qualität, aber auch hoher Rechenaufwand

27 (Sphere) Environment Bump Mapping zwei Texturen: eine Höhentextur, eine Environment-Textur eignet sich gut zum Simulieren von Wasser, dynamische Beleuchtung schwer realisierbar abhängig vom Betrachterstandpunkt, starke Verzerrungen

28 (Sphere) Environment Bump Mapping (Matrox G400)

29 (Sphere) Environment Bump Mapping Beispiel für fehlerhafte Darstellung (nvidia 1999) Lösung: Cube Mapping (nvidia 1999)

30 Displacement Mapping (Matrox 2002) Displacement Map gibt Entfernung einzelner Punkte vom Basismesh an neue Geometriepunkte werden erzeugt (Depth Adaptive Tesselation) DX9, bislang nur vom Matrox Parhelia-Chip in Hardware unterstützt

31 Displacement Mapping (Matrox 2002)

32 Bildbasiertes Rendering Ursprünglich: Benutzung von Bitmaps-Bildern zur realistischeren Darstellung geometriebasierter Szenen (Texturen) Heute: Rendern von Szenen ohne Umweg über geometrische Darstellungen unabhängig von Szenenkomplexität kann reale und virtuelle Bildquellen nutzen vergleichsweise geringer Rechenaufwand Photorealismus

33 Bildbasiertes Rendering aus fertigen Bildern neue Bilder errechnen (stitching) dynamische Beleuchtung schwierig, Verzerrungen möglich, hoher Speicherbedarf für Basisbilder fester Standort der Kamera / fester Blickpunkt der Kamera Panoramas, Quicktime VR

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