Availability: Computergrafik und Bildverarbeitung | Technische Universität München

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Main Authors:	Nischwitz, Alfred (Author), Fischer, Max (Author), Haberäcker, Peter (Author), Socher, Gudrun (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	Wiesbaden Springer Vieweg [2019]
Edition:	4., erweiterte und aktualisierte Auflage
Series:	Lehrbuch
Subjects:	Computergrafik Bildverarbeitung
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adam_text	Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Zusammenhang Computergrafik — Bildverarbeitung 6 2.1 2.2 2.3 2.4 Bildverarbeitung auf programmierbarer Grafikhardware............................ Simulation von kameragesteuerten Geräten.................................................. Bilddatencodierung........................................................................................... Bildbasiertes Rendering..................................................................................... 3 Interaktive 3D-Computergrafik 3.1 3.2 25 Harte Echtzeit.................................................................................................... Weiche Echtzeit................................................................................................. 4 Anwendungen interaktiver 3D-Computergrafik 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Ausbildungs-Simulation..................................................................................... Entwicklungs-Simulation................................................................................. Unterhaltung....................................................................................................... Telepräsenz ........................................................................................................... Daten-Visualisierung ........................................................................................ Augmented Reality........................................ Datenübertragung.............................................................................................. 5 Einführung in die 3D-Computergrafik 5.1 5.2 7 10 15 19 Einführung in die 3D-Computergrafik mit OpenGL...................................... 5.1.1 OpenGL Kurzbeschreibung.................................................................. 5.1.2 Die OpenGL Kommando Syntax......................................................... 5.1.3 Die OpenGL Rendering Pipeline............ ............................................ 5.1.4 OpenGL Shading Language (GLSL).................................................. Einführung in die 3D-Computergrafik mit Vulkan......................................... 5.2.1 Vulkan: Konzepte und Kurzbeschreibung......................................... 5.2.2 Aufbau einer Vulkan-Grafikanwendung ............................................ 5.2.3 Vulkan Shading Language (SPIR-V).................................................. 5.2.4 Synchronisation in Vulkan .................................................................. 5.2.5 Debugging in Vulkan (Validation Layers)......................................... x 26 29 30 30 32 34 34 35 36 37 39 42 46 48 50 59 75 77 85 130 132 137 INHALTSVERZEICHNIS 5.3 Ergänzende Literaturhinweise......................................................... xi 142 6 Geometrische Grundobjekte 145 6.1 3D-Modellierungsmethoden.................................. 145 6.1.1 Planare Polygone................................................................................. 145 6.1.2 Gekrümmte Polygone........................................................................... 146 6.1.3 Volumendarstellung.............................................. 147 6.1.4 Konstruktive Körpergeometrie........................................................... 148 6.2 Geometrische Grundobjekte ........................................................................... 149 6.2.1 Vertex-Definition ................................................................................. 151 6.2.2 Grafik-Primitive..................................................................................... 152 6.2.3 Programmierbeispiele.......................................................................... 155 6.3 Tipps zur Verwendung der Grafik-Primitive.................................................. 174 6.3.1 Rendering-Geschwindigkeit......................................................................174 6.3.2 Konsistente Polygon-Orientierung.............................................. 175 6.3.3 Koordinaten-Berechnungen offline..................................................... 175 6.3.4 Lücken.................................................................................................... 176 6.4 OpenGL Zeichentechniken .............................................................................. 177 6.4.1 glBegin/glEnd-Paradigma..................................................................... 177 6.4.2 Display Listen........................................................................................ 178 6.4.3 Vertex Arrays........................................................................................ 180 6.4.4 Buffer Objects........................................................................................ 184 6.5 Vulkan-Zeichentechniken .................................................................................. 196 6.5.1 Vertex Buffer Objects........................................................................... 196 6.5.2 Indizierte Vertex Buffer Objects........................................................ 197 6.5.3 Primitive Restart................................................................................. 198 6.5.4 Instanced Rendering.............................................................................. 199 6.5.5 Draw Indirect........................................................................................ 199 6.6 Modellierung komplexer 3D-Szenarien............................................................... 201 7 Koordinatensysteme und Transformationen 202 7.1 Definition des Koordinatensystems......................................................................202 7.1.1 OpenGL Koordinatensystem.................................................................. 202 7.1.2 Vulkan Koordinatensystem..................................................................... 203 7.2 Transformationen im Überblick............................................................................205 7.3 Mathematische Grundlagen.................................................................................. 207 7.3.1 Homogene Koordinaten............................................................................207 7.3.2 Transformations-Matrizen ..................................................................... 208 7.4 Modell-Transformationen..................................................................................... 210 7.4.1 Translation..................................................................................................211 7.4.2 Rotation.....................................................................................................213 7.4.3 Skalierung................................................................................. 215 7.4.4 Reihenfolge der Transformationen.................................. 216 INHALTSVERZEICHNIS 7.5 7.6 7.7 7.8 Augenpunkt-Transformationen............................................................................ 218 Projektions-Transformationen............................................................................ 225 7.6.1 Orthografische Projektion (Parallel-Projektion)................................... 225 7.6.2 Perspektivische Projektion.................................................................. 227 7.6.3 Normierung ...............................................................................................232 Viewport-Transformation......................................................................................233 Matrizen-Stapel..................................................................................................... 236 8 Verdeckung 8.1 8.2 8.3 8.4 9 Farbe, Transparenz und Farbmischung 9.1 9.2 9.3 259 Das Farbmodell in der Computergrafik .............................................................259 Modelle der Farbdarstellung............................................................................... 262 9.2.1 Der RGBA-Modus .............................................................................. 262 9.2.2 Der Farb-Index-Modus........................................................................ 262 9.2.3 Wahl zwischen RGBA- und Farb-Index-Modus................................... 263 9.2.4 Farbspezifikation im RGBA-Modus...................................................... 263 9.2.5 Farbspezifikation im Farb-Index-Modus................................................ 267 Transparenz und Farbmischung............................................................................ 268 9.3.1 Farbmischung in OpenGL.........................................................................268 9.3.2 Farbmischung in Vulkan........................................................................ 272 9.3.3 Beispiele für Farbmischungen............................................................... 276 9.3.4 Transparente Texturen............................................................................ 284 9.3.5 3D-Probleme bei der Farbmischung...................................................... 285 10 Anti-Aliasing 10.1 10.2 242 Der z-Buffer Algorithmus......................................................................................243 OpenGL-Implementierung des z-Buffer Algorithmus.......................................246 Vulkan-Implementierung des z-Buffer Algorithmus..........................................248 Einsatzmöglichkeiten des z-Buffer Algorithmus................................................253 8.4.1 Entfernen aller Vorderteile.................................................................. 253 8.4.2 Höhenkarten generieren............................................................................ 255 8.4.3 Volumenmessung ......................................................................................256 8.4.4 Oberflächenmessung.................................................................................. 256 8.4.5 Entfernungsmessung.................................................................................. 257 8.4.6 Weitere Einsatzmöglichkeiten............................................................... 258 289 Aliasing-Effekte................................................................................................. 289 Gegenmaßnahmen ֊ Anti-Aliasing...................................................................... 293 10.2.1 Pre-Filterungs-Methode: Flächenabtastung..........................................293 10.2.2 Post-Filterungs-Methoden ......................................................................295 INHALTSVERZEICHNIS xiii 11 Nebel und atmosphärische Effekte 307 11.1 Anwendungen.................................................................................................... 307 11.2 Nebel-Implementierung........................................................................................ 309 11.2.1 Nebel im „Compatibility Profile“ von OpenGL................................... 310 11.2.2 Nebel im „Core Profile“ von OpenGL und bei Vulkan.......................313 11.2.3 Nebel-Koordinaten .............................................................................. 314 12 Beleuchtung und Schattierung 317 12.1 Beleuchtungsmodelle ........................................................................................ 318 12.1.1 Physikalische Optik und Näherungen der Computergrafik.............318 12.1.2 Lokale und globale Beleuchtungsmodelle................................................327 12.1.3 Das Phong-Blinn-Beleuchtungsmodell...................................................329 12.2 Schattierungsverfahren ........................................................................................ 352 12.2.1 Flat-Shading........................................................................................... 353 12.2.2 Smooth-/Gouraud-Shading.................................................................. 355 12.2.3 Phong-Shading............................................................................................360 12.2.4 Realisierung eines Phong-Shaders in GLSL......................................... 362 13 Texturen 369 13.1 Foto-Texturen (Image Texturing).........................................................................371 13.1.1 Spezifikation der Textur............................................................................373 13.1.2 Textur-Filter...............................................................................................384 13.1.3 Gauß-Pyramiden-Texturen (MipMaps) . .............................................387 13.1.4 Programmierbare Textur-Filter........................................................... 399 13.1.5 Textur-Fortsetzungsmodus (Texture Wraps)......................................... 403 13.1.6 Mischung von Textur- und Beleuchtungsfarbe (Texture Environment)406 13.1.7 Zuordnung von Texturkoordinaten......................................................... 409 13.1.8 Einschalten des Texture Mappings..................................................... 423 13.1.9 Textur-Objekte ....................................................................... 425 ІЗ.І.ЮРіхеІ Buffer Objects (PBO)......................................................................431 13.1.11 Texture Buffer Objects (TBO)............................................................... 432 13.2 Mehrfach-Texturierung (Multitexturing)............................................................ 434 13.3 Projektive Texturen (Projective Texture)......................................................... 441 13.4 Umgebungs-Texturen (Environment Maps)......................................................444 13.4.1 Sphärische Texturierung (Sphere Mapping)......................................... 445 13.4.2 Kubische Texturierung (Cube Mapping)................................................449 13.5 Relief-Texturierung (Bump Mapping)............................................................... 457 13.6 Bildverarbeitung auf Grafikkarten............... 466 13.6.1 Punktoperatoren........................................................................................ 466 13.6.2 Faltungsoperatoren.................................................................................. 469 13.6.3 Rangordnungsoperatoren.........................................................................474 INHALTSVERZEICHNIS XIV 14 Schatten 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15 Animationen 15.1 15.2 16.3 16.4 16.5 16.6 555 Animation und Double Buffering......................................................................... 555 Animationstechniken ........................................................................................ 561 15.2.1 Bewegung eines starren Objektes ֊ Pfadanimation............................. 561 15.2.2 Bewegung von Gelenken eines Objektes - Artikulation....................... 564 15.2.3 Verformung von Oberflächen - Morphing.............................................566 15.2.4 Bewegung von Objektgruppen: Schwärme und Partikelsysteme............................................................ 568 16 Beschleunigungsverfahren 16.1 16.2 480 Harte Schatten (Hard Shadows) .........................................................................484 14.1.1 Schatten-Texturierung (Shadow Mapping).............................................485 14.1.2 Probleme und Abhilfen bei der Schatten-Texturierung....................... 502 14.1.3 Ray Tracing........................................................................................... 516 Weiche Schatten (Soft Shadows)......................................................................... 517 14.2.1 Konstante Halbschattenbreite (Fixed-SizePenumbra) ........................ 519 14.2.2 Variable Halbschattenbreite (Variable-SizePenumbra).................... 531 Ambient Occlusion..................................................................................................542 Transparenz....................................................................................................... 546 14.4.1 Transparente Objekte mit binären AlpharWerten................................ 546 14.4.2 Volumen-Schatten......................................................................................549 Infrarot Schatten .............................................................................................. 553 571 Szenen Graphen................................................................................................. 574 Cull Algorithmen .................................................................................................. 578 16.2.1 Viewing Frustum Culling......................................................................... 580 16.2.2 Occlusion Culling.................................................................................. 582 16.2.3 Backface Culling..................................................................................... 585 16.2.4 Portal Culling............................................................................................587 16.2.5 Detail Culling........................................................................................ 588 Level Of Detail (LOD) .........................................................................................589 16.3.1 Switch LOD............................................................................................... 590 16.3.2 Fade LOD.............................................................................................. 591 16.3.3 Morph LOD...............................................................................................592 Billboards........................................................................................................... 593 Multiprozessor- und Mehrkernsysteme............................................................ 598 Geschwindigkeits-Optimierung........................................................................ 602 16.6.1 Leistungsmessung.................................................................................. 603 16.6.2 Optimierungsmaßnahmen......................................................................... 608 INHALTSVERZEICHNIS 17 GPU Programmierung mit CUDA und OpenCL 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 17.10 17.11 17.12 17.13 xv 612 Einführung.............................................................................................................. 612 Historie.....................................................................................................................612 GPGPU-Hardware..................................................................................................613 Das SIMT Berechnungsmodell............................................................................614 GPGPU-Anwendungsbereiche ............................................................................615 Die CUDA und OpenCL Terminologie............................................................... 616 Allgemeine Struktur von GPGPU-Programmen................................................617 Ein GPGPU-Programmbeispiel............................................................................618 Beschreibung der Problemdimension...................................................................626 Die GPGPU-Speicherhierarchie............................................................................ 630 Vereinigte Speicherzugriffe .................................................................................. 632 Datentypen.............................................................................................................. 633 Integration CUDA-OpenGL.................................................................................. 634 Literatur zu Band I 637 Sachverzeichnis 646
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