3D-Grafik

Vergleich zu 2D-Desktop-Grafik (STP008)

• Zeichenreihenfolge ist nicht so offensichtlich (Was ist vorne? Was ist hinten?)
• höherer Anspruch an Realismus: dynamische Beleuchtung, Texturierung, etc.
• Randbemerkung: auch 2D-Spiele werden heute meist in einer 3D-Szene aufgebaut
• Grundeinheit für 3D-Modelle: nicht der Pixel, sondern das Polygon (deswegen kommen wir um Fließkommazahlen nicht herum)

Vorbemerkungen zu den folgenden Schritten:

• all dies passiert für jedes Einzelbild von vorne (also bei 60Hz 60-mal pro Sekunde)
• zur Illustration verlinken wir auf Beispielbilder aus den Übungsunterlagen für einen Kurs in 3D-Rendering-Grundlagen

Schritt 1: 3D-Modell mit Polygonen

• Polygon heißt wörtlich "Vieleck", aber 3D-Modelle bestehen meist nur aus Dreiecken
• Polygone mit vier und mehr Ecken können mittels Triangulation in Dreiecke zerlegt werden
• Darstellung eines 3D-Modells als Gitternetz

Schritt 2: Kamera

• grundsätzlich ein Paar aus Blickpunkt und Blickrichtung, aber mit einigen weiteren Parametern
• mathematische Grundlage: Quaternionen
• Sichtfeld (Field of View): beim Menschen 130°; bei Videospielen meist weniger, je nachdem, wieviel Platz der Bildschirm im Sichtfeld einnimmt (z.B. 90° am PC, 60° an Konsolen)

Schritt 3: Ausmalen der Polygone (Rasterisierung)

• Backface Culling (Rückseiten-Auslese): wir werfen alle Polygone weg, die von uns wegzeigen
• Beispiel mit ausgemalten Polygonen nach Backface Culling
• Z-Buffer: wenn wir Polygone ausmalen, dann malen wir nur die Pixel aus, bei denen wir nicht schon Polygone gemalt haben, die näher an der Kamera dran sind
• Beispiel mit ausgemalten Polygonen unter Verwendung des Z-Buffers

Schritt 4: Texturen

• bis jetzt war jedes Polygon einfarbig, jetzt kleben wir Bilder auf (analog zu Modellbausätzen)
• in der Praxis ein großes Bild für das ganze Modell
• jede Ecke jedes Polygons wird zu einem Punkt in der Textur zugeordnet
• Beispiel mit Polygonen, die mit ihrer Textur ausgemalt sind

Einwurf: Was unterscheidet einen Grafikprozessor (GPU) von einem Hauptprozessor (CPU)?

• CPU-Kerne führen einzelne Befehle auf einzelnen Daten aus
• GPU führt einzelne Befehle auf vielen Daten gleichzeitig aus, z.B. Rasterisierung von 10000 Polygonen gleichzeitig oder Z-Buffer-Prüfung für 10000 Pixel gleichzeitig
• dadurch auch für andere massiv parallelisierbare Operationen interessant ("GPGPU", General Purpose GPU), z.B. wissenschaftliche Simulationen, maschinelles Lernen, Passwortknacken

Schritt 5: Shader

• bis jetzt haben wir die Fixed Function Pipeline beschrieben, eine im GPU-Treiber fest vorgegebene Kette von Rendering-Schritten
• neuere GPU (seit den frühen 2000ern) erlauben das Einbetten von eigenen Programmen (Shadern) in die Pipeline
• Vertex Shader: wird einmal pro Vertex (Ecke eines Polygons) aufgerufen, um die 2D-Position auf dem Bildschirm zu berechnen (ansonsten normale Berechnung anhand der konfigurierten Kameraposition)
• Fragment Shader: wird einmal pro Pixel aufgerufen, um gegebenenfalls die Farbe des Pixels zu modifizieren
• Beispiel eines Fragment-Shaders, der eine Farbtextur auf 6 feste Farbstufen reduziert

Schritt 6: Beleuchtung

• bei traditionallen 2D-Spielen mit Sprites war Beleuchtung meist global (z.B. jedes Objekt hat 2 Sprites, einmal für dunkle und einmal für helle Szenen)
• dynamische Beleuchtung: heute meist als Teil des Fragment Shaders
• Beispiel: Phong's Approximation einer natürlichen Beleuchtung
  • 1. Anteil: ambiente Beleuchtung (überall gleich stark, Grundausleuchtung wie in einem Fernsehstudio)
  • 2. Anteil: diffuse Beleuchtung (abhängig davon, wie sehr die beleuchtete Fläche zur Lichtquelle hingewendet ist)
  • 3. Anteil: spekulare Beleuchtung (Glänzen; stark überbetont auf Flächen, die fast exakt zur Lichtquelle hingewendet sind)

es gibt noch so viel mehr: Kantenglättung (Antialiasing), lineares und anisotropisches Filtern, Normal Mapping, Raytracing