Grafikpipeline

Question 1

Computergrafik Prozess

Answer 1

• 3D Objekte
  -> Modellierung
• 3D-Modelle (Szene, Geometrie, Material, Beleuchtung)
  -> Notwendig für Darstellung: Rasterisierung
• Bilder (Interaktion, Animation)

Question 2

3D-Grafik-Pipeline Schematisch

Answer 2

• CPU
  -> Anwendung
• GPU
  -> Geometrieverarbeitung
  -> Rasterisierung
• Ausgabe

Question 3

Anwendung: Repräsentation von 3D-Daten: Grafische Primitive

Answer 3

• Punkte
• Linien
• Dreiecke

Question 4

Anwendung: Transformationen

Answer 4

Positionierung
- Transformation + relative Koordinaten
-> Translation, Rotation, Skalierung, Scherung

Question 5

Anwendung: Räumliche Datenstrukturen: Klassifikation

Answer 5

• Hüllkörperhierarchie
• Raumunterteilung
  -> k-d Tree
  -> Quadtree
  -> Binary Space Partition (BSP)

Question 6

Hüllkörper

Answer 6

Hüllkörper müssen einfach sein, d.h. Schnitttests mit andern Primitiven müssen sich einfach berechnen lassen

Question 7

Raumunterteilungen

Answer 7

• einfach
• Objekt ist in mehreren Zellen enthalten
• Kann sich der Geometrie nicht anpassen
• Sehr speicheraufwändig
• Effizient traversierbar
• Schneller Zugriff auf Nachbarn ist möglich

Question 8

Geometrieverarbeitung: Kanonische Position und Orientierung

Answer 8

• Sichtvolumen wird nach dem Koordinatensystem ausgerichtet
• Ziel: Einheitliches Sichtvolumen für die nachfolgenden Algorithmen

Question 9

Geometrieverarbeitung: Simulation der Beleuchtung

Answer 9

Bestimmung der Leuchtdichten eines Primitivs:
-> Flat Shading: Normale des Primitivs ergibt einheitliche Helligkeit
-> Gouraud shading: Normale in den Eckpunkten ergibt Helligkeitswerte für die Eckpunkte, Helligkeitswerte der Eckpunkte werden linear interpoliert
-> Phong Shading: Eckpunkt-Normalen werden für jeden Punkt linear interpoliert und normiert, Helligkeitswert ergibt sich aus interpolierter Normale

Question 10

Phong-Beleuchtungsmodell

Answer 10

• Welcher Anteil des Lichts, das an der Position L emittiert und am Objekt reflektiert wurde, erreicht den Beobachter an der Position V?
• Lichtquellen sind punktförmig
• Geometrie der Oberflächen wird ignoriert

Question 11

Phong-Beleuchtungsmodell: Komponenten/Reflektion

Answer 11

Berechnet Reflektion des Lichtes
- Ambiente Komponente: Umgebungslicht
- Diffuse Reflektion: Abhängig von Richtung des Lichts und Oberflächennormale
- Spiegelnde Reflektion: Abhängig von der Richtung der Reflektion und des Betrachters

Question 12

Schattierung von Primitiven

Answer 12

• Wireframe
• Constant Shading
• Flat Shading
• Gouraud Shading
• Phong Shading
• Subdivision, Texture/Bump/Reflection Mapping

Question 13

Geometrieverarbeitung: Clipping

Answer 13

• Sichtbarkeit: Sichtbar ist der dem Auge am nächsten liegende Punkt
• Clipping: Abschneiden von Objekten am Rand eines gewünschten Bildschirmausschnitts

Question 14

Painters Algorithmus

Answer 14

• Soll Sichtbarkeitsproblem lösen (was ist sichtbar/verdeckt)
• Zeichne Polygone wie ein Maler
  -> z-Wert: Tiefe
• Sortiere Polygone nach z-Wert
• Berechne Schnittpolygone bei Überlappung
• Zeichne Polygone mit dem größten z-Wert begonnen

Question 15

Geometrieverarbeitung: Culling

Answer 15

Bestimmung von Rückseiten in Szenen, die von der weiteren Betrachtung ausgeschlossen werden können
-> Skalarprodukt aus Sehstrahl und Normale ist positiv

Question 16

Rasterisierung

Answer 16

Primitive werden in Pixel zerlegt

Question 17

Rasterisierung: z-Buffer-Algorithmus

Answer 17

Tiefenspeicher
-> z-Wert für jeden Bildpunkt speichern
- Vorteile:
-> Komplexität ist unabhängig von Tiefenkomplexität
-> Jede Szene mit jeder Art von Objekten kann behandelt werden
-> Leicht in Hardware zu realisieren
-> In eine fertige Szene können nachträglich Objekte eingefügt werden
- Nachteile:
-> Transparenz nicht realisierbar
-> Genauigkeit ist beschränkt
-> Pro Bildpunkt wird nur ein Objekt gespeichert

Question 18

Ausgabe

Answer 18

• Speichern des Bildes
• Display
• Hardcopy