Für die Erzeugung möglichst wirklichkeitsnaher Bilder wird neben einer genauen geometrischen Beschreibung und einem Sichtbarkeitsverfahren auch eine Methode zur Berechnung der Farb- und Helligkeitswerte der einzelnen Punkte der Oberfläche eines Gegenstandes verwendet. Die Berechnung der Helligkeit an der Oberfläche wird durch ein Beleuchtungsmodell ermittelt. In einem solchen Modell werden die Einflüsse der Lichtquellen (Lage, Größe, Stärke, spektrale Zusammensetzung) sowie der Oberflächenbeschaffenheit (Geometrie, Materialeigenschaften) berücksichtigt. Das Modell muss also den Vorgang der Lichtausbreitung in einer virtuellen Umgebung beschreiben berücksichtigen.
Inhaltsverzeichnis
1. Geometrische Objekte
1.1 Mathematische Darstellung
1.1.1 Beispiel Quader
1.1.2 Beispiel Kugel
1.2 Explizierte Darstellung
1.3 Normalvektoren
2. Lokale Beleuchtungsmodelle
2.1 Wireframe (Drahtgittermodell)
2.2 Flat shading
2.3 Gouraud shading
2.4 Phong shading
2.5 Lokale Beleuchtungsmodelle – Eigenschaften
3. Globale Beleuchtungsmodelle
3.1 Ray Tracing
3.2 Radiosity
3.3 Globale Beleuchtungsmodelle – Eigenschaften
4. Material
4.1 Farbe
4.2 Reflexion
4.3 Transparenz
4.4 Textur
5. Texturen
5.1 Projektionsarten
5.2 Flache Projektion
5.3 Sphärische Projektion
5.4 Parametrische Projektion
5.5 Kubische Projektion
5.6 Zylindrische Projektion
5.7 Bump, Displacement
5.7.1 Bump
5.7.2 Displacement
5.8 Transparency Maps
5.9 Prozedurale Erzeugung
6. Licht, Farbe, Intensität
6.1 Lichtquellen – parallel, ambient
6.1.1 paralelles Licht
6.1.2 ambientes Licht
6.2 Lichtquellen – Punkt, Spot
6.2.1 Punktlicht (Omni)
6.2.2 Spot
6.3 Lichtquellen – Projektor
7. Umgebungseffekte
7.1 Nebel
7.2 Schnee, Regen
7.3 Hintergrund
8. 3D Eingabegeräte
8.1 Scanner
8.2 Digitizer
9. 3D Ausgabegeräte
9.1 3D Display
9.2 3D Printer
10. Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenbereiche
Die vorliegende Arbeit vermittelt grundlegende Konzepte der dreidimensionalen Darstellung im Kontext von Computer Aided Architectural Design (CAAD). Das primäre Ziel ist es, die technischen und mathematischen Prinzipien zu erläutern, die für die Erzeugung realistischer 3D-Modelle und deren visuelle Aufbereitung notwendig sind.
- Mathematische und explizite Modellierung von 3D-Objekten
- Differenzierung zwischen lokalen und globalen Beleuchtungsmodellen
- Methoden der Materialdefinition und Texturprojektion
- Physikalische Simulation von Licht, Farbe und Umgebungseffekten
- Technologien für die 3D-Dateneingabe und -ausgabe
Auszug aus dem Buch
5.7.1 Bump
Bump Mapping dient dazu eine Art Reliefstruktur auf einem Objekt darzustellen. In einer Bump Map werden Helligkeitswerte in der Textur beim Rendering so interpretiert, dass sie als Höhenunterschiede auf der Oberfläche eines Objekts wiedergegeben werden. Der Eindruck der Dreidimensionalität kann so verstärkt werden, ohne zusätzliche Polygone zu verwenden. Dadurch kann auf eine aufwendige 3D-Modellierung verzichtet werden, selbst wenn die Poren einer Orange oder die Krater eines Mondes nachzubilden sind.
Die Bump Map schlägt sich in der Schattierung der Oberfläche nieder, nicht aber in den Umrissen der 3D-Modelle: Ein Mond mit Kratern, der per Bump-Map erzeugt wurde, bleibt im Profil kreisrund - anders als beim Displacement Mapping.
Beim Bump Map entsteht der Eindruck als wäre die Oberfläche uneben. An bestimmten Stellen ist der Normalvektor abgelenkt/ verdreht und ruft somit den unebenen Eindruck hervor.
Als Bump wird dabei ein Muster gewählt, dass durch den Grauwert angibt, wie stark Normalvektoren gebogen werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Geometrische Objekte: Behandelt die mathematische Beschreibung von Grundformen wie Quadern und Kugeln sowie die explizite Modellierung durch hierarchische Datenstrukturen.
2. Lokale Beleuchtungsmodelle: Erläutert verschiedene Schattierungsverfahren von Wireframe bis Phong shading zur Berechnung der Oberflächenhelligkeit.
3. Globale Beleuchtungsmodelle: Führt in Verfahren wie Ray Tracing und Radiosity ein, die gegenseitige Lichtwechselwirkungen in einer 3D-Szene berücksichtigen.
4. Material: Beschreibt die Parameter zur Materialdefinition, insbesondere Farbe, Reflexion, Transparenz und Textur.
5. Texturen: Untersucht verschiedene Projektionsarten und fortgeschrittene Techniken wie Bump- und Displacement-Mapping sowie prozedurale Texturerzeugung.
6. Licht, Farbe, Intensität: Klassifiziert Lichtquellen nach ihren physikalischen Eigenschaften wie Punkt-, Spot- und Flächenlicht.
7. Umgebungseffekte: Diskutiert Methoden zur Simulation natürlicher atmosphärischer Gegebenheiten wie Nebel, Niederschlag und Hintergrundgestaltung.
8. 3D Eingabegeräte: Gibt einen Überblick über Hardware zur Erfassung physikalischer Geometrien und Texturen.
9. 3D Ausgabegeräte: Behandelt Technologien zur physischen Darstellung oder visuellen Anzeige von 3D-Modellen.
10. Literaturverzeichnis: Listet die verwendeten Quellen und weiterführende Literatur zur Vertiefung auf.
Schlüsselwörter
Computer Aided Architectural Design, CAAD, Geometrische Modellierung, Ray Tracing, Radiosity, Beleuchtungsmodelle, Schattierung, Texturprojektion, Bump Mapping, Displacement Mapping, Prozedurale Texturen, Normalvektoren, 3D-Visualisierung, Lichtquellen, Oberflächenbeschaffenheit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine Einführung in die theoretischen und technischen Grundlagen der dreidimensionalen computergestützten Darstellung für den architektonischen Entwurf.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen geometrische Modellierung, Beleuchtungsberechnung, Materialeigenschaften, Texturierung sowie Methoden der 3D-Ein- und Ausgabe.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Vermittlung eines fundierten Verständnisses der Funktionsweise von 3D-Software und der mathematisch-physikalischen Prozesse, die fotorealistischen Renderings zugrunde liegen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine deskriptive methodische Herangehensweise gewählt, die grafische Prinzipien und deren mathematische Implementierung strukturiert darstellt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in geometrische Grundlagen, Beleuchtungsmodelle (lokal/global), Materialeigenschaften, Texturierung, Lichtquellen, Umgebungseffekte sowie die Hardwareschnittstellen für 3D-Daten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Rendering, Beleuchtungsmodelle, Texturmapping, Geometrische Primitive und 3D-Modellierung.
Worin liegt der Unterschied zwischen lokalen und globalen Beleuchtungsmodellen?
Lokale Modelle berechnen Licht nur basierend auf der direkten Interaktion zwischen Lichtquelle und Objektoberfläche, während globale Modelle zusätzlich indirekte Beleuchtung und Lichtreflexionen zwischen Objekten berücksichtigen.
Warum wird beim Bump Mapping von einer "Illusion" der Unebenheit gesprochen?
Weil das Bump Mapping lediglich die Normalvektoren der Oberfläche manipuliert, um die Schattierung zu beeinflussen, ohne die tatsächliche 3D-Geometrie oder die Silhouette des Objekts zu verändern.
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- Anonym (Author), 2002, Grundlagen der dreidimensionalen Darstellung im Computer Aided Architectural Design, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/10346
