Fachhochschule Gießen-Friedberg

Die Grafik-Pipeline

Marcus Steller

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Schritte einer Grafik Pipeline

Geometrische Verfahren

3. Koordinatensysteme

3.1 Das lokale Koordinatensystem
3.2 Das Weltkoordinatensystem
3.3 Das Augen-, Kamera- oder Ansichtskoordinatensystem
3.4 Zusammenfassung der Koordinatensysteme

4. Operationen in Koordinatenräumen

4.1 Culling
4.2 Sichtvolumen und Clipping
4.3 Der dreidimensionale Bildschirmraum

5. Erweitertes Ansichtssystem (PHIGS)

5.1 Implementieren eines PHIGS-Ansichtssystems

Algorithmische Prozesse

6. Zuschneiden von Polygonen

6.1 Die Verwendung von Hüllkörpern
6.2 Demonstration Clipping
6.3 Der Sutherland und Hodgman Algorithmus

7. Schattieren von Pixeln

7.1 Das lokale Reflexionsmodell
7.2 Praktische Hinweise
7.3 Überlegung zur Lichtquelle
7.4 Schattierung durch Interpolation
7.5 Die Gouraud Methode
7.6 Die Phong Methode
7.7 Die Schattierungsfunktionen von Renderern

8. Das Rastern von Polygonen

9. Fazit

1. Einleitung

Eine Grafik-Pipeline ist eine Abfolge von Ausführungsschritte um einen dreidimensionalen Raum in eine zweidimensionale Projektion zu überführen.

Die einzelnen Ausführungsschritte, werden in dieser Ausarbeitung dargestellt und im Einzelnen erläutert, wobei es zu unterscheiden gilt, welche Ausführungsschritte zu den so genannten geometrischen Verfahren oder den algorithmischen Prozessen zuzuordnen sind.

Es werden in dieser Ausarbeitung sowohl die geometrischen Verfahren, wie auch die algorithmischen Prozesse behandelt und an Beispielen gefestigt.

Da ein Objekt in der Abfolge der Ausführungsschritte in einer Grafik-Pipeline mehrere Koordinatenräume durchläuft, werden wir diese Koordinatenräume ebenfalls im Einzelnen inspizieren.

Des Weiteren werden Ihnen einige Operationen nahe gebracht, welche in einer Grafik-Pipeline unabdingbar sind.

Darüber hinaus werden wir uns mit der Schattierung und dem Rastern von Pixeln beschäftigen und ein erweitertes Ansichtssystem kennen lernen.

Die vorhin angesprochenen zweidimensionalen Projektionsmedien sind beispielsweise der Computermonitor, Beamer oder Fernseher.

Zur heutigen Zeit gibt es einzelne Anzeigegeräte, welche dreidimensionale Grafik darstellen können, doch bleibt zu beachten, dass die meist benutzten Bildoberflächen zur Anzeige von Grafik zweidimensional sind.

Ein dreidimensionales Anzeigegerät ist jedoch nicht zu verwechseln mit den so genannten „Head Mounted Displays“.
Diese „Head Mounted Displays“ sind Helme, welche mit meist drei oder mehreren Displays ausgestattet sind.
Dem Träger dieser Helme wird hierdurch ein dreidimensionaler Raum vorgetäuscht.
Jedoch erfolgt die Darstellung des Bildes auf zweidimensionalen Anzeigegeräten.

Abbildung 1: Ein Head Mounted Display mit mehr als 2 Projektionsmedien¹[nur in der Download-Version verfügbar]

Abbildung 2: Ein Head Mounted Display mit genau 2 Projektionsmedien²[nur in der Download-Version verfügbar]

2. Schritte einer Grafik Pipeline

Die Schritte einer Grafik Pipeline müssen klassifiziert werden in geometrische Verfahren und algorithmische Prozesse.

Die geometrischen Verfahren befassen sich mit den Punkten von den, zum späteren Zeitpunkt angezeigten, Polygonen.
Diese Ausarbeitung wird sich im Folgenden ausschließlich auf die Betrachtung von
Polygonen Netzobjekten beschränken.

Als Beispiel ist zu nennen, dass in den geometrischen Verfahren Punkte von einem in einen anderen Koordinatenraum transformiert und diese Polygone verworfen, welche vom Blickpunkt aus nicht gesehen werden können oder welche von einem anderen Polygon verdeckt werden.

Die algorithmischen Schritte bilden die zweite Kategorie.
Diese Kategorie befasst sich mit den weiteren Vorgängen, welche im Anschluss zu den geometrischen Schritten auszuführen sind. Sie beinhaltet beispielsweise die Schattierung der verschiedenen Objekte, sowie das Textur Mapping.

Unter Textur Mapping ist das Aufbringen eines Musters auf eine Fläche eines dreidimensionalen Objektes zu verstehen. Transparent dem Begriff des Textur Mappings wird die deutsche Übersetzung der Musterabbildung verwendet.

Da die geometrischen Schritte fast rein auf Matrizenmultiplikation basieren, sind die algorithmischen Schritte um Einiges kostenintensiver. Wobei unter dem Begriff der Kostenintensität die benötigte Rechnerleistung zu verstehen ist.

Abbildung 3: Eine dreidimensionale Rendering Pipeline³[nur in der Download-Version verfügbar]

In Abbildung 3 ist eine dreidimensionale Rendering Pipepline dargestellt.
In dieser Abbildung kann man erkennen, welche Ausführungsschritte eine solche Pipeline beinhaltet.

Auf diese Ausführungsschritte, sowie die Koordinatenräume oder Koordinatensysteme werden wir nun näher eingehen.

[...]

1 online im Internet: http://blogs.guardian.co.uk/technology/archives/2006/10/16/ daily_mail_unveils_unbelievable_360degree_head_mounted_display.html [Stand 11.01.2008]
2 online im Internet: http://www.produktdesign.com/cyberspacebrille.htm [Stand 11.01.2008]
3 Quelle: Alan Watt – 3D-Computergrafik 3. Auflage - Seite165