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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Schritte einer Grafik Pipeline
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
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
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit erläutert die Funktionsweise der Grafik-Pipeline, die notwendig ist, um dreidimensionale Räume in zweidimensionale Projektionen zu überführen. Dabei werden sowohl geometrische Transformationsschritte als auch algorithmische Prozesse wie Clipping und Schattierung detailliert analysiert und deren Einfluss auf die notwendige Rechnerleistung untersucht.
- Transformation und Klassifizierung von Koordinatensystemen
- Operationen in Koordinatenräumen (Culling, Clipping, Z-Algorithmus)
- Implementierung erweiterter Ansichtssysteme (PHIGS)
- Algorithmen zur Schattierung (Gouraud, Phong)
- Verfahren zum Rastern von Polygonen
Auszug aus dem Buch
6.1 Die Verwendung von Hüllkörpern
Das Prinzip des Zuschneidens, welches auch Clipping genannt wird, wurde zu Anfang bereits beschrieben.
In der Analyse konnte man erkennen, wie bestimmt wird, ob ein einzelner Pixel innerhalb oder außerhalb des Sichtvolumens liegt oder ob es das Sichtvolumen schneidet.
Dies ist allerdings eine sehr ineffiziente Art der Analyse, da hierdurch ein hohes Maß an Rechnerleistung benötigt wird und der Geschwindigkeit der Berechnung sehr gering ist. Der Geschwindigkeitsfaktor spielt jedoch beim Darstellen von dreidimensionaler Grafik eine große Rolle, sodass man diesen keinesfalls vernachlässigen darf.
Das Zuschneiden ist aufgrund der stetig wachsenden Ansprüche eine immer anspruchsvollere Operation geworden. Auch der Bedarf an Rendering in Echtzeit wächst zunehmend.
Eine weitaus effizientere Methode, um zu berechnen, in welcher Position sich ein Objekt befindet, ist eine Methode durch Verwendung von Hüllkörpern.
Machen wir uns gedanklich das Bild einer Kugel, welche das Objekt einhüllt. Der Radius dieser Kugel besitzt hierbei einen festen Wert, welcher im Voraus berechnet und in einer Datenbank abgespeichert werden kann.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung definiert die Grafik-Pipeline als Abfolge von Schritten zur Überführung eines 3D-Raums in eine 2D-Projektion und gibt einen Überblick über die behandelten geometrischen und algorithmischen Verfahren.
2. Schritte einer Grafik Pipeline: Dieses Kapitel klassifiziert die Arbeitsschritte in geometrische Verfahren, die auf Matrizenmultiplikation basieren, und rechenintensivere algorithmische Prozesse.
3. Koordinatensysteme: Es werden die verschiedenen Koordinatensysteme – lokal, Welt und Ansicht – erläutert, die ein Objekt während des Rendering-Prozesses durchläuft.
4. Operationen in Koordinatenräumen: Dieses Kapitel behandelt das Entfernen nicht sichtbarer Flächen (Culling) sowie den Prozess des Clippings gegen das Sichtvolumen.
5. Erweitertes Ansichtssystem (PHIGS): Hier wird das hierarchische Grafiksystem PHIGS detailliert betrachtet und die notwendigen Parameter zur Sichtzuordnung beschrieben.
6. Zuschneiden von Polygonen: Dieser Abschnitt widmet sich effizienten Methoden zur Identifikation von Objekten innerhalb oder außerhalb des Sichtvolumens, inklusive des Sutherland und Hodgman Algorithmus.
7. Schattieren von Pixeln: Die Schattierungsmethoden nach Gouraud und Phong werden gegenübergestellt, um Lichtintensitäten auf Oberflächen realistisch darzustellen.
8. Das Rastern von Polygonen: Dieses Kapitel erklärt, wie Polygone in ein Pixelraster überführt werden, um Flächen zu füllen.
9. Fazit: Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf moderne Grafikkarten-Architekturen und die Bedeutung der effizienten Prozessgestaltung ab.
Schlüsselwörter
Grafik-Pipeline, Koordinatensystem, Culling, Clipping, Sichtvolumen, PHIGS, Polygon, Schattierung, Gouraud, Phong, Rendering, Rastern, Projektion, Matrizenmultiplikation, Echtzeit-Rendering
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Seminararbeit beschreibt den Prozess der Grafik-Pipeline, durch den dreidimensionale Modelle in eine zweidimensionale Ansicht auf einem Bildschirm umgewandelt werden.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die geometrische Transformation, das Zuschneiden von Objekten (Clipping), die Schattierung sowie die Rasterung von Polygonen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, die einzelnen Schritte der Grafik-Pipeline zu erläutern und aufzuzeigen, wie durch effiziente Algorithmen Rechenleistung optimiert werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Grundlagen wie Matrizenmultiplikationen und verschiedene Algorithmen (z.B. Z-Algorithmus, Sutherland und Hodgman) analysiert und an praktischen Beispielen sowie Abbildungen verdeutlicht.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die mathematische Beschreibung von Koordinatensystemen, Clipping-Strategien, komplexe Schattierungsmodelle und die Rasterung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Grafik-Pipeline, Koordinatensystem, Culling, Clipping, Schattierung und Rendering.
Warum gibt es verschiedene Koordinatensysteme?
Sie ermöglichen eine schrittweise Transformation von lokalen Objektkoordinaten über die Weltkoordinaten bis hin zum gerätespezifischen Bildschirmraum.
Was unterscheidet die Gouraud- von der Phong-Methode?
Während die Gouraud-Methode die Intensität an den Eckpunkten interpoliert, berechnet die Phong-Methode die Normale für jedes Pixel, was die Darstellung von Glanzlichtern ermöglicht.
- Quote paper
- Marcus Steller (Author), 2008, Die Grafik-Pipeline, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/118726
