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3D-Computergrafik
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Erstellt/Bearbeitet: 23-Okt-2005/09-Jan-07
Systemzeit: Montag, 08.09.2008, 01:19:42.
Home : Film : Computergrafik : 3D
Ãœbersicht
3D-Computergrafik ist ein Oberbegriff für verschiedene
Verfahren zur Erzeugung und Darstellung räumlicher Daten mit den Mitteln
der Computergrafik.
Abbildung: Die Utah-Teekanne (»Utah
teapot«) ist ein klassisches Referenzobjekt
und zugleich „running gag“ der 3D-Computergrafik; sie wurde 1975 von
Martin Newell an der Universität von Utah entwickelt. Die hier
abgebildete Variante wurde von Finlay McWalter PovRay 3.5 erstellt.
Inzwischen hat sich die Teekanne zu einer Art Running Gag in der
Computergrafikszene entwickelt; die Teekanne wurde in den ersten
computeranimierten Kurzfilmen und später auch in großen Kinofilmen
eingesetzt: Sie ist in Die Monster AG, Toy Story und in
der Disney-Produktion Die Schöne und das Biest zu „entdecken“.
Differenzierungsbereiche
Die 3D-Computergrafik teilt sich in zwei große Bereiche: die
Modellierung und das Rendern von räumlichen Daten.
- Als Modellierung bezeichnet
man die
Erstellung räumlicher Daten; das Rendern bezeichnet die weitgehend
automatische Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes oder Filmes aus
räumlichen Daten.
Die Gesamtheit der räumlichen Daten, die später gerendert werden
sollen, bezeichnet man als Szene. Diese wird weitgehend von Hand
erstellt. Die Software, die Techniken bereitstellt, um den Anwender
dabei zu unterstützen, nennt man 3D-Modellierungswerkzeug oder einfach
„3D-Modeller“.
- Als Rendern bezeichnet
man in der 3D-Computergrafik die Erzeugung eines
zweidimensionalen Bildes aus der entweder mithilfe eines 3D-Modellers
erstellten oder durch Messungen bzw. Berechnungen gewonnenen Szene. Beim
so erzeugten Bild handelt es sich meist nicht um ein echtes „3D-Bild“
(nach DIN 19040/Teil 8), da ihm die stereoskopische Wirkung fehlt.
Anwendungsgebiete
Zwei große Anwendungsbereiche der 3D-Computergrafik stellen die
Virtuelle Realität
(virtuelle Realität) und die Augmented Reality (erweiterte
Realität) dar.
Beide legen ihr Hauptaugenmerk auf die Echtzeitfähigkeit und die sich
daraus ergebende Interaktion mit dem Betrachter (z. B. verändern der
Perspektive bei einer Drehung des Kopfes). Während in der Virtual
Reality Welten komplett im Rechner generiert werden, beschäftigt sich
die Augmented Reality mit dem Einbinden von künstlichen Objekten in die
Realität (z.B. über Datenbrillen).
Eine weitere bedeutende Anwendung der 3D-Computergrafik ist die
Darstellung von CAD-Volumenmodellen, die dann zum Beispiel auch für
Festigkeitsberechnungen, ohne Zeichnungen direkt zur Fertigung oder im
Fahrzeugbau für Crashsimulationen verwendet werden können.
Abbildung: Renderbild mit Photon
Mapping.
Weiterhin findet die 3D-Computergrafik zur Erzeugung von hochwertigen
Spezialeffekten oder Computeranimationen Verwendung, etwa in der Werbe-
und Filmindustrie (Computer Generated Imagery). Weitere, eher technische
Anwendungsbereiche sind die Simulation in der Architektur oder Optik.
Hierbei wird oft auf eine möglichst große Detailtreue und Realismus wert
gelegt; Echtzeitfähigkeit ist nicht unbedingt erforderlich.
Modellierverfahren
Eine 3D-Szene enthält die Beschreibung von Objekten, die auf
verschiedene Arten definiert sein können. Verbreitet ist die Darstellung
durch folgende Primitiven:
- Polygone werden durch drei oder mehr Punkte eindeutig
beschrieben, die dreidimensionale Koordinaten haben. Weiterhin ist
die Angabe eines Normalenvektors üblich, aus dessen Richtung die
sichtbare Seite des Polygons bestimmt wird. Durch Meshing kann eine
mathematisch beschriebene Oberfläche, etwa eine Kugel, durch
Polygone angenähert werden.
- NURBS sind eine bestimmte Form sogenannter Splines. Ein Spline
ist eine Kurve, die durch mehrere Punkte im Raum exakt definiert
ist. Mit einem Netz aus NURBS lässt sich eine Fläche definieren.
Diese Darstellungsweise hat den Vorteil, dass sich sehr komplexe
Flächen über verhältnismässig wenige Punkte definieren lassen. Um
die Fläche darzustellen rechnet der Computer diese dann in Polygone
um. Man kann sich den Unterschied zwischen NURBS- und
Polygonenflächen ähnlich dem von Vektor- und Pixeldarstellung im
2D-Bereich vorstellen. Sie eignen sich besonders für gekrümmte
Flächen, da diese auch bei starker Vergrösserung nicht „kantig“
werden.
3D-Grafikprogramme speichern diese Punkte/Polygone/NURBS/Objekte in
Listen ab, die dann in einem bestimmten Format (meist als ASCII-Datei)
auf den Datenträger geschrieben werden.
Eine weitere Form des Speicherung ist die mittels Programmcode. So z.
B. beschränkt sich das VRML-Format nicht nur auf die listenförmige
Angabe von Punkt- oder Kantenlisten, sondern erlaubt die Beschreibung
einer 3D-Szene mit einer Art Programmiersprache. Diese Dateien kann man,
Sprachkenntnisse vorausgesetzt, auch ohne einen besonderen Editor
erstellen oder manipulieren.
Renderverfahren
Die beim Rendern verwendeten Verfahren lassen sich in zwei große
Gruppen unterteilen, abhängig davon, ob Animationen in Echtzeit
berechnet werden sollen (etwa für Computerspiele) oder ob die möglichst
detailgetreue Nachbildung der Wirklichkeit erwünscht ist. Die ersteren
Verfahren bezeichnet man als Echtzeitrendering (engl. real-time
rendering); die zweite Gruppe wird als Bildsynthese oder
(foto)realistische 3D-Computergrafik bezeichnet.
Einen Spezialfall stellen sogenannte nicht-fotorealistische Techniken
dar, bei denen z. B. aus ästhetischen Gründen Verfremdungen erzeugt
werden (wie etwa Comic-Renderer). Sie erfolgen meist in einem
Nachbearbeitungsschritt der Bildsynthese.
Abbildung: Überblick über Verfahren
der 3D-Computergrafik.
Echtzeitrendern
Aufgrund der drastisch gestiegenen Leistung von 3D-Karten in den
letzten Jahren lassen sich immer hochwertigere Bilder in Echtzeit
berechnen. Dennoch ist die Qualität der gerenderten Bilder nur bedingt
mit der Bildsynthese vergleichbar.
Wesentlich zur Entwicklung der Echtzeit 3D-Computergrafik hat der
ursprünglich von Silicon Graphics eingeführte Grafikstandard OpenGL
beigetragen, der die Möglichkeiten moderner Grafikhardware nutzt. Die
aktuellen Neuerungen von OpenGL und Microsofts DirectX finden
hauptsächlich in modernen Computerspielen ihre Anwendung. Außer DirectX
und OpenGL gab es noch andere Ansätze, wie zum Beispiel Glide. Diese
konnten sich allerdings nicht durchsetzen. Im professionellen Bereich
hat OpenGL die größte Bedeutung, da DirectX stark auf die Entwicklung
von Spielen optimiert ist.
Bildsynthese
Die zentralen Verfahren der Bildsynthese beschäftigen sich mit der
Ausbreitung von Licht und dessen Interaktion mit den Objekten der Szene.
Es gibt eine große Anzahl verschiedener Renderverfahren mit jeweils
unterschiedlichen Möglichkeiten. Die beiden großen Gruppen sind dabei
Radiosity- und Raytracing-basierte Verfahren.
Neben der Berechnung der Lichtverteilung spielen Verfahren zur
physikalisch plausiblen Simulation von Oberflächeneigenschaften eine
große Rolle.
Literatur
.
( Bestellen)
Siehe auch
Chronologie der Computergrafik
Verdeckungsberechnung
- Z-Buffering/Scanline Rendering
- Raytracing
Globale Beleuchtungsmodelle (Berechnung der Lichtverteilung)
- Radiosity
- Raytracing - unter anderem:
- Diffuses Raytracing
- Path Tracing
- Photon Mapping
- „Shading“ (Interpolation der Polygongeometrie)
- Simulation der Mesogeometrie: Bump Mapping, Displacement
Mapping
- Lokale Beleuchtungsmodelle (Simulation der Mikrogeometrie):
BRDF, Volumenstreuung
- Texture Mapping (örtliche Veränderung der
Materialbeschaffenheit)
Netmarks
Wikipedia: Liste der Dateiformate für 3D-Modelle,
de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Dateiformate#3D-Modelle.
www.3dtotal.com.
www.global-artists.net.
www.cgchannel.com.
www.3d-ring.de.
Quelle und Lizenz
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