Kurzbeschreibung des Renderers- Erzeugung der ersten Bilder

Kurzbeschreibung des Renderers- Erzeugung der ersten Bilder Zielsetzung In diesem Projekt lernen Sie: ausgewählte Grundlagen Auswahl und Definition der zum Rendern minimal notwendigen Hilfsmittel und Objekte Erzeugung einer ersten einfachen Szene Definition und Zuweisung von Materialien und Texturen Weiterführende Hinweise Startvoraussetzung Der Renderer muß auf Ihrem Rechner installiert sein. Im Normalfall wird er über die Verknüpfung Renderer gestartet. Eine andere Möglichkeit ist der Start aus der Taskleiste: Zusätzlich sollte die 2D/3D-CAD- und Designsoftware PICTURES by PC 3.0 installiert sein. Die Handhabung dieses Programms zur Erzeugung eines einfachen Beispieles sowie grundsätzliche Kenntnisse der Bedienung WINDOWS-basierter Programme werden vorausgesetzt. Einführung / Grundlagen Als Renderer werden allgemein Programme bezeichnet, die in der Lage sind, schattierte Bilder unter Ausschaltung nicht sichtbarer Flächen zu generieren. Räumlichen Objekten werden dabei Eigenschaften wie Farbe und Oberflächenstruktur zugeordnet. Zusätzlich ist mindestens eine Lichtquelle zur Ausleuchtung der Szene zu definieren. Alle dadurch entstehenden optischen Wirkungen, wie z.b. Schattenwurf, werden nach physikalischen Gesetzen berechnet und fotorealistisch dargestellt. Ray-Tracing ist eine besondere Form des Renderns. Bei der Berechnung geht man davon aus, daß sich der Lichtstrahl vom Beobachter wegbewegt (Ray-Tracing -> Strahl-Verfolgung). Mit dem Renderer von SCHOTT SYSTEME können Sie dieses Verfahren anwenden. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 1 von 16

Farben werden im Renderer durch das RGB-Modell beschrieben. Sie werden dabei durch additive Mischung eines Rot-, Grün- und Blauanteils (jeweils im Bereich von 0 bis 100%) erzeugt. Dieses Modell findet z.b. auch bei Monitoren Verwendung. Mapping ist eine Möglichkeit zur Strukturierung einer Oberfläche, dabei wird ein Rasterbild (Bitmap) auf ein Objekt projeziert. Textur ist das danach sichtbare Muster. Szene nennt man ein mit dem Renderer zu bearbeitendes Projekt. Erzeugung eines einfachen Geometriebeispieles Für die ersten Schritte erzeugen wir uns mit PICTURES by PC 3.0 die zwei folgenden Geometrieelemente in der Standardfarbe (2=grün): Kugel Mittelpunkt X0,Y0,Z0 Quader 1. Eckpunkt X-100,Y-100,Z-20 Radius 10 2. Eckpunkt X200, Y150,Z-15 Die Kugel ist dabei das zu betrachtende Geometrieobjekt, der Quader stellt das spätere Hintergrundobjekt dar. Nebenstehend ist die schattierte dimetrische Sicht abgebildet. Die Datei speichern wir z.b. unter dem Namen render.vec ab. Hinweis: Hier definierte Objektnamen und farben werden vom Renderer übernommen. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 2 von 16

Renderer erste Schritte Oberfläche des Renderes Kopfleiste Anzeige der Objektliste Menübereich linke Toolleiste- Zoom und Sichten Parameterbereich Ansichtsbereich Infozeile Kopfleiste Hier befinden sich u.a. Buttons zum Laden / Speichern von Dateien, Materialien und Sichten sowie Buttons zur Selektion von Objekten und Materialien. linke Toolleiste Mit dem obersten Button kann die Objektliste wahlweise aus- oder eingeblendet werden. Weiterhin befinden sich hier die zum größten Teil aus PICTURES by PC bekannten Buttons zur Einstellung von Zoom und Sichten. Ansichtsbereich Normalerweise hat der Ansichtsbereich einen schwarzen Hintergrund, wird hier jedoch aus drucktechnischen Gründen weiß dargestellt. Menübereich Von hier aus kann man verschiedene Untermenüs, z.b. zum Generieren und Manipulieren von Objekten, aufrufen. Infozeile Hier erscheinen Meldungen und Aufforderungen. Parameterbereich Nach Aufruf eines Untermenüs erscheinen hier verschiedene Parametermenüs zum Einstellen objektspezifischer Parameter (z.b. für Farbe eines Materials). P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 3 von 16

Hinweise zur Handhabung: Ebenso wie bei PICTURES by PC lassen sich die Toolmenüs nach Wunsch an anderen Stellen andocken. Fährt man mit dem Mauszeiger auf einen Button, erhält man eine Kurzinformation zu dessen Funktion. Voraussetzungen Um mit dem Renderer ein Bild zu erzeugen, müssen folgende Mindestvoraussetzungen erfüllt sein: Vorhandensein eines Geometrieobjektes Definition einer Kamera Definition einer Lichtquelle Definition der Renderparameter Durchführung am Beispiel Geometrieobjekte Wie in unserem Beispiel sind in den meisten Fällen die zu bearbeitenden Geometrieobjekte in einer CAD-Zeichnung von PICTURES by PC (*.vec) vorhanden. Diese Zeichnung wird im Renderer geladen. Weitere ladbare Dateiformate sind *.sat und *.sab (ACIS), *.rxs (bereits erstellte Szenen) und *.3ds (Szenen des 3D-Studio von Autodesk). Wir öffnen unser Beispiel render.vec. In der dimetrischen Sicht bietet sich bei Drahtdarstellung folgendes Bild: Hinweis: Primitive Geometrieobjekte wie Quader, Zylinder und Kugel können auch direkt im Renderer erzeugt werden. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 4 von 16

Kamera Die Kamera repräsentiert Standpunkt und Blickfeld des Beobachters. Die einfachste Weise, eine Kamera zu definieren besteht demzufolge darin, die Perspektive wie gewünscht zu wählen und die Kamera entsprechend dieser Sicht zu setzen. Um schnell zu einem ersten Ergebnis zu kommen, wählen wir die dimetrische Sicht und rufen aus dem Menübereich das Untermenü Neue Kamera generieren auf. Wir wählen den Button Neue Kamera und im erscheinenden Menü Auf Ansicht. Das jetzt eingeblendete Rechteck symbolisiert den sichtbaren Bildausschnitt. Danach wählen wir den Button Kamera einstellen und verändern den Zoom (ggf. auch andere Parameter) so, daß der Ausschnittshintergrund komplett durch den Quader ausgefüllt wird. Licht Wir unterscheiden folgende Lichtquellen: Hintergrundlicht Gerichtetes Licht Punkt-Licht Spot-Licht allgemeine diffuse Beleuchtung ohne lokalisierbare Quelle (in der Realität vergleichbar mit geringer Reflexion durch Umgebung) parallele Lichtstrahlen aus unendlich entfernter Lichtquelle (in der Realität vergleichbar mit Mond oder Sonne) Definition im Raum durch Position und Zielpunkt Drehung der Lichtquelle hat keine Folgen, Verschiebung hat Folgen, Erzeugung von Schatten ist möglich strahlenförmige Lichtquelle, Lichtstrahlen werden in jede Richtung ausgesandt Definition im Raum nur durch Position Drehung der Lichtquelle hat keine Folgen, Verschiebung hat Folgen, Erzeugung von Schatten ist nicht möglich strahlenförmige Lichtquelle mit auf kreisförmigen Querschnitt eingeschränkten Austrittsbereich (Lichtkegel) P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 5 von 16

Hintergrund Definition im Raum durch Position und Zielpunkt Drehung und Verschiebung der Lichtquelle haben Folgen, Erzeugung von Schatten ist möglich kein Licht im engeren Sinn, dient zur Beschreibung der nicht durch Geometrieobjekte verdeckten Bereiche des sichtbaren Bildausschnittes (z.b. Farbverlauf, siehe Bsp. weiter unten) Wir wechseln in die Y-Z-Ansicht (Sicht von rechts), schalten zur besseren Visualisierung in schattierte Darstellung um und öffnen durch Betätigen des Buttons Lichtquellen erstellen das entsprechende Untermenü. Um schnell einen sichtbaren Effekt zu erzielen, wählen wir ein Spotlicht. Nach Druck auf den entsprechenden Button erscheint sich ein Menü zur Einstellung der Parameter. Das Licht wird mit den dort eingestellten Parametern erzeugt, diese sind aber auch später noch veränderbar. Wir folgen der angezeigten Aufforderung Wählen Sie die Position des Spot-Lichts und selektieren einen Punkt in der Nähe der linken oberen Fensterecke. Den danach abgefragten Zielpunkt des Lichts setzen wir ungefähr in die Mitte der Kugel. Da wir jetzt nach der nächsten Position gefragt werden, beenden wir die Aktion mit Druck auf den Button Alle Kommandos abbrechen. Position des Spot-Lichts Zielpunkt (ca. Mitte Kugel) Als sichtbares Ergebnis verändern sich die Lichtverhälnisse in der schattierten Darstellung. Renderparameter Als letztes müssen noch Renderparameter festgelegt werden. Dazu öffen wir im Menü Render- und Filtereinstellungen das Untermenü Neue Rendereinstellungen. Die hier angebotenen Parameter übernehmen wir vorerst ohne Änderungen durch Druck auf den Button <Übernehmen>. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 6 von 16

Nun sind alle Mindestanforderungen erfüllt. Wenn Sie in der nebenstehenden Objektliste blättern, finden Sie die neuen Objekte unter der jeweiligen Objektart aufgeführt. Bild rendern und speichern Das Rendern des Bildes wird nun mit Druck auf den entsprechenden Button in der linken Toolleiste gestartet. Die Berechnungsdauer ist abhängig von der Rechnerkonfiguration. Das entstandene Bild sieht ähnlich dem oben abgebildeten aus und kann in den Grafikformaten *.bmp, *.tif oder *.jpg gespeichert werden. Die Szene speichern wir unter dem Namen render.rxs ab. Zusammenfassung Bis jetzt wurde erkennbar, daß zur Erstellung eines Bildes mit dem Renderer bestimmte Mindestvoraussetzungen zu erfüllen sind. Wir haben ein erstes Bild erstellt, das jedoch schwerlich unsere Anforderungen an Realitätsnähe erfüllen dürfte. Ein erster Schritt zur Verbesserung ist die Zuweisung bestimmter Eigenschaften wie Farbe, Glanz etc. an die Geometrieobjekte. Dies wird im nächsten Abschnitt näher erläutert. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 7 von 16

Definition und Zuweisung von Eigenschaften für Geometrieobjekte Zuweisung einer Farbe Bei der Übernahme von Zeichnungen von PICTURES by PC werden die Objektfarben übernommen. Will man diese Farbe ändern, ist folgendes zu tun: Anwählen des Geometrieobjektes (z.b. obj1 -> Kugel) in der Objektliste mit der linken Maustaste -> die Kugel wird zum aktiven Objekt: in der Liniendarstellung wird sie weiß dargestellt, bei schattierter Darstellung erhält sie eine quaderförmige weiße Markierung Druck auf Button Objektparameter bearbeiten oder Betätigen der rechten Maustaste und im darauf erscheinenden Menü Druck mit der linken Maustaste auf <Eigenschaften> (alternativ Taste <E>) -> im Parameterbereich erscheinen die Parameter des Geometrieobjektes Änderung des Parameters Farbe, z.b. auf den Wert 3 Hinweis: Die hier aufgeführten Farbnummern entsprechen den Farben in PICTURES by PC (3=rot, 4=gelb, 5=blau...) Druck auf die Taste <Übernehmen> Ergebnis: Die Kugel wird rot. Dies kann man sofort sowohl in Linien- als auch in schattierter Darstellung bzw. nach einem neuen Rendern nachvollziehen. Durch die Kombination verschiedener Farben für Kugel und Quader kann man mannigfaltige Versionen des Bildes erzeugen, aber auch diese dürften den Anforderungen realitätsnaher Darstellung kaum gewachsen sein. Definition und Zuordnung von Materialien Materialien beinhalten Informationen zu optischen Eigenschaften wie Farbe, Glanz, Struktur etc. Sie werden unabhängig von anderen Objekten definiert und können separat gespeichert und geladen werden. Durch Zuordnung eines Materials zu einem Geometrieobjekt übernimmt letzteres die optischen Eigenschaften. Definition eines neuen Materials: Nach Öffnung des Menüs Materialien bearbeiten wählen wir das Untermenü Neues Material erstellen. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 8 von 16

Im Parameterbereich erscheint folgendes Menü: oberes Drittel: Im oberen Drittel des Menüs können Sie einen Namen für das Material vergeben. Das Vorschau-Objekt kann man aus den Körpern Kugel, Würfel und Zylinder wählen. Hier sollte man natürlich auf Ähnlichkeit mit dem (den) Geometrieobjekte(n) achten, denen später dieses Material zugewiesen wird. Unter dem Punkt <Muster> sind verschiedene Hintergrundvarianten wählbar. mittlerer Bereich: Hier lassen sich die verschiedenen Bestandteile der Oberflächenfarbe mit RGB-Reglern einstellen. Der wichtigste Bestandteil ist dabei die diffuse Reflexion. Sie ist das Maß dafür, wie die körpereigene Farbe zur Geltung kommt. Alle anderen Bestandteile der Oberflächenfarbe lassen sich mit der diffusen Reflexion koppeln. = entkoppelt, = gekoppelt Die Auswirkungen verschiedener Einstellungen von Farben, Glanz und Beleuchtungsmodell testen Sie (vorerst am Vorschau-Objekt) bitte selbst. unteres Drittel: Hier finden Sie Einstellungen für Ray-Tracing. Nie und Immer sind sicher selbsterklärend; Transparent/Spiegelnd bedeutet, daß das Ray- Tracing nur dann angewandt wird, wenn Werte für Transparenz und/oder Spiegelung gesetzt wurden. Auf Mapping wird zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen. Nach der Festlegung des Materialnamens und seiner Eigenschaften betätigen wir den Knopf <Übernehmen>. Das neue Material erscheint daraufhin in der Objekt-Liste. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 9 von 16

Durchführung am Beispiel: Wir definieren z.b. die folgenden Materialien und weisen danach das Material Material Kugel dem Geometrieobjekt obj1 und das Material Material Quader dem Geometrieobjekt obj2 zu. Material Kugel: Helligkeitswerte für Transparenz und Spiegelung=0 Material Quader: Helligkeitswerte für Transparenz =0 und Spiegelung=0.5 Zuordnung eines Materials zu einem Geometrieobjekt: Wir öffnen wie oben beschrieben (vgl. Zuordnung Farbe) im Parameterbereich das entsprechende Menü. Gegebenfalls ist vorher mit dem STOP-Button die Materialdefinition abzubrechen. Hier wählen wir im Punkt <Material> das gewünschte Material und bestätigen mit <Übernehmen>. Hinweis: Nach Zuordnung eines Materials hat die eingestellte Objektfarbe (s.o.) keine Wirkung mehr. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 10 von 16

Beim darauffolgenden Rendern ergibt sich annähernd folgendes Bild: Neben den veränderten optischen Eigenschaften ist vermutlich auch bei Ihrer Einstellung spätestens jetzt deutlich zu bemerken, daß die Ausrichtung der Kamera nicht optimal ist. Sie ist im Bedarfsfall folgendermaßen zu ändern: Wahl der Kamera-Ansicht im linken Toolmenü Selektion der Kamera1 in der Objekt-Liste mit der linken Maustaste -> blauer Hintergrund Menü Neue Kameras generieren, Untermenü Neue Kamera einstellen horizontale und vertikale Richtung anpassen Beenden mit STOP-Button Das danach entstehende Bild könnte wie nebenstehend abgebildet aussehen: Die geänderte Szene speichern wir unter dem Namen render1.rxs ab. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 11 von 16

Erstellung und Zuweisung von Maps Wie bereits oben beschrieben, lassen sich durch Projektion von Rasterbildern (Bitmaps) strukturierte Oberflächen erzeugen. Erstellung einer neuen Map: Nach Öffnung des Menüs Materialien bearbeiten wählen wir das Untermenü Neue Map erstellen. Es erscheint ein Parametermenü, in das wir vorerst die folgend abgebildeten Werte eintragen: Name der Map: Mauer Bitmap-Datei: brick.jpg Hinweis: Die Seitenlängen der Bitmap-Datei sollten 2er-Potenzen sein, sonst werden sie entsprechend skaliert. Der Button <Nachladen> ist zum Aktualisieren, wenn die Bitmap- Datei zwischenzeitlich mit einem externen Programm geändert wurde. U- und V-Offset stehen für die Verschiebung der/des projezierten Bitmaps ohne Größenskalierung. U- und V-Faktor entsprechen der Anzahl der auf eine Fläche projezierten Bitmaps mit entsprechender Größenskalierung. Bei Drehen kann ein Winkel festgelegt werden. Bei Wiederholen kann die sich aus dem Faktor ergebende Anzahl der projezierten Maps auf eine kleinere Zahl beschränkt werden -> die Fläche wird nicht vollständig bedeckt. Bei aktiviertem Spiegeln wird jede 2. Bitmap in der entsprechenden Richtung gespiegelt. (vgl. Bsp. weiter hinten) Wir übernehmen durch Klick auf <Übernehmen>. Die Map Mauer erscheint jetzt in der Objekt-Liste in der Objektart Materialien. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 12 von 16

Zuordnung einer Map zu einem Material: Wie bereits oben gesehen, finden wir im unteren Drittel des Menüs für Material-Parameter die Einstellungen für Map. Wir öffnen die Parameter des Materials Material Quader und wählen die Maps enstprechend der Abbildung. Die unter der Map stehende Zahl zwischen 0 und 1 steht für die Wichtung von oben eingestellter Farbe und Map. Ist die Zahl gleich 1, wird nur die Map berücksichtigt; ist die Zahl gleich 0.5, werden beide zu gleichen Teilen berücksichtigt. Die jeweiligen Auswirkungen sind im Vorschaubild gut zu erkennen. Bei den Parametern Relief und Maske ist der Wert ein Maß für die Dämpfung (1=ungedämpft, 0=gedämpft). Nach Druck auf <Übernehmen> werden die Änderungen aktiv, in der schattierten Darstellung wird der Quader sichtbar dunkler. Würden wir jetzt rendern, erscheint der Quader zwar dunkler, aber es ist noch keine Textur zu erkennen. Das liegt an den bisher fehlenden Texturkoordinaten. Sie werden im konkreten Fall folgendermaßen zugewiesen: Wir öffnen das Parametermenü des Quaders obj2, ändern Typ von keine auf Quader und <Übernehmen> die Änderung. Im schattierten Zustand ist jetzt schon deutlich die Textur zu erkennen. Das gerenderte Bild sieht ähnlich dem unten abgebildeten aus. Probleme bereiten jetzt noch das Verhälnis Textur/Objektgröße und die Tatsache, daß eine Mauer eigentlich nicht spiegelt. Letzteres ist durch Setzen des Parameters Ray Tracing auf Nie des Materials Material Quader schnell abgestellt. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 13 von 16

Zur Änderung der Textur gibt es 2 Möglichkeiten: Änderung der Texturdefinition des Objektes (lokal) -> Geometrieobjekt obj2, Parameter Faktor setzen von 1 z.b. auf 10 -> Änderung hat Auswirkung nur auf dieses Objekt Änderung in der Map Mauer -> setzen U- Faktor und V-Faktor von 1 auf 10 -> diese Änderung hat Auswirkung auf alle Objekte, denen Materialien mit dieser Map zugewiesen sind In unserem Beispiel ändern wir die Texturdefinition des Quaders obj2. Wir speichern die Datei als render2.rxs. Zusammenfassung Die notwendigen Voraussetzungen und das Prinzip des Renderns wurden erläutert und an einem Beispiel demonstriert. Viele Themen, wie z.b. die Einstellung von Licht- und Renderparametern, die Erzeugung von Geometrieobjekten, die Positionsveränderungen von Objekten (Verschieben, Drehen)..., wurden noch nicht angesprochen, sind aber weitestgehend selbsterklärend und durch Testen schnell erfaßbar. Der geneigte Leser sollte auf dieser Basis in der Lage sein, das Programm zu bedienen und eigene Bilder zu erstellen. Um dies zu erleichtern, werden im Anschluß noch weiterführende Hinweise gegeben. Weiterführende Hinweise Übernahme von Objekten aus anderen Szenen Objekte aus anderen Szenen oder CAD-Zeichnungen können Sie übernehmen, indem Sie die andere Datei zusätzlich öffnen und die gewünschten Objekte (Geometrieobjekte, Lichter, Materialien...) per Drag&Drop verschieben (Anklicken mit linker Maustaste, Taste gedrückt halten und in die entsprechende Objektart schieben). In der Zielszene entsteht eine Kopie des Originals. Materialien (mit den zugehörigen Maps) können zusätzlich gesondert gespeichert (vorher selektieren) und geladen werden. Hinweis: Sind mehrere Szenen geöffnet, wird die aktive durch schwarze Schrift (alle anderen blau) in der Objekt-Liste gekennzeichnet. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 14 von 16

Umbenennen / Sperren / Löschen von Objekten Nach Klick mit der rechten Maustaste auf ein Objekt erscheint ein Menü, in dem das Objekt gesperrt/deaktiviert oder ganz gelöscht werden kann. Bitmap-Tansformation Nebenstehendes Bitmap läßt sich durch Einstellungen der Parameter in unserem Beispiel render2.rxs entsprechend transformieren. Deutlich ist im Renderbild die Verschiebung (Offset) vom Ursprung, die Spiegelung jedes 2. Bitmaps und die Beschränkung (Wiederholung) auf 3 in U- und 4 Bitmaps in V-Richtung zu erkennen. Arbeit mit Hintergrund Verändern wir in unserem Beispiel render2.rxs den Zoom der Kamera, könnte ein Bild ähnlich dem unten links abgebildeten entstehen. Störend wirkt hier u.u. der einfarbige schwarze Hintergrund. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 15 von 16

Der Hintergrund kann wie folgt gestaltet werden: Wir öffnen das Menü Lichtquellen erstellen, Untermenü Neuer Hintergrund. Hier vergeben wir einen Namen und definieren den Farbverlauf oder die Map. Mit <Übernehmen> bestätigen wir. Mit Klick auf Rendereinstellungen bearbeiten in der linken Toolleiste öffnen wir dann das Menü für die Renderparameter und können hier eine andere Hintergrundfarbe auswählen bzw. den erstellten Hintergrund zuweisen. P3_rend.doc vorläufige Version vom 23.04.99 Seite 16 von 16