DDM2_Skript als Karteikarten

• Teil des elektromagnetischen Spektrums, der mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann
• ca. 400-700 Nanometer Wellenlänge
• 780-380 THz

Wellenlänge

• kleinster Abstand (zweier Punkte gleicher Phase) einer Welle
• In Meter (oder Bruchteilen davon) angegeben

Frequenz

• Schwingungen pro Sekunde zwischen zwei Punkten einer Welle
• in Schwingungen pro Sekunde angegeben
• Eine Schwingung pro Sekunde = 1 Hertz / 1Hz

als Strahlung oder Licht wird der Bereich ober und unterhalb des menschlichen sichtbaren Bereichs genannt.

Ultraviolettes Licht / UV

• gefährlich für Haut, Augen und eine Vielzahl an Stoffen
• Wichtig für die Spaltung von Sauerstoff und die Entstehung von Ozon in der oberen Atmosphäre (=Ozon absorbiert den Großteil der UV-Strahlung)
• Im Langwelligen Bereich des Lichts (unterhalb des menschl. sichtbaren Bereichs)

Verwendungsbereich:

• technische und wissenschaftliche Felder
• biologische Analysen und Forensik
• als Schwarzlicht
• in der Desinfektion von z.B. Trinkwasser

• im langwelligen Bereich des Lichts (oberhalb des meschl. sichtbaren)
• ugs. "Wärmestrahlung" = der rote Bereich des Lichts ist der wärmste daher der ugs. Name
• IR-Strahlung regt die Bewegung der Moleküle an = erhöht Temperatur

Anwendungsbereiche:

• Untersuchung von Gemälden
• Thermographie
• Gebäudeuntersuchung
• Suche von Personen
• Medizin
• Sicherheitsprüfung von Dokumenten
• Gatronomie

THERMISCHE STRAHLUNG

• beziehet ihre Energie aus der thermischen Bewegung von Teilchen (Kerzenflamme, Sonne, Glühlampen)
• elektromagnetisches Spektrum solcher thermischer Strahler ist kontinuierlich = es treten alle Wellenlängen auf

NICHT-THERMISCHE LICHTQUELLE

• strahlt nur bestimmte Wellenlängen ab
• "Lichtspektrum" mit Gasentladungsröhren = Neonröhren
• "Bandspektrum" mit Leuchtioden = Polarlichter und Glühwürmchen

Sonderstellung = Licht eines Lasers ist nahezu monochromatisch = besteht nur aus einer Wellenlänge

• elektromagnetisches Spektrum der Sonne hat größte Intensität im Bereich des sichtbaren Lichts
• Je nach Einfallswinkel und Wetter werden bestimmte Wellenlängen von der Atmosphäre geschwächt/herausgefiltert
• Im IR-Bereich wird ein geringer Teil (vor allem Wassermoleküle) in der Atmosphäre absorbiert
• von der UV-Strahlung gelangt nur die UVA-Strahlung bis an die Erde durch
• UVA-Strahlung wird durch die Streuung der kleinen Teilchen in der Atmosphäre geschwächt = daher ist der Himmel blau
• UVB und UVC-Strahlung werden von Ozonschicht & Luftsauerstoff absorbiert

• Elektromagnetische Wellen des Lichts bewegen sich in Lichtgeschwindigkeit
• Licht erreicht max. 300.000km/s = nur in einem Vakuum
• Licht durch dichtere Medium als Vakuum = langsamer

Beispiele

• Luft der bodennahen ca. 0,28 Promille langsamer
• Wasser 25% langsamer
• manche Gläser 47% langsamer

• Lichtbrechung = wenn sich das Licht von einem Medium in ein anderes Medium mit anderer Dichte ausbreitet
• Bestandteile des Lichts werde je nach Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen
• Farbspektrum eines Regenbogens zeigt die unterschiedlichen Wellenlängen als Bestandteile des weißen Lichts = Prisma macht den Effekt sichtbar

Newtons Versuch

• schickt weißes Licht durch Prisma = Licht kommt in den Farben des Regenbogens aus dem Prisma heraus
• Schickt man rotes Licht durch kommt nur rotes Licht raus = ihm fehlen die anderen Wellenlängen der anderen Farben

Sonnenlicht hat immer andere Qualitäten

• strahlend Blauer Himmel = hoher Anteil an direktem Sonnenlicht; geringer Anteil an indirektem Sonnenlicht
• Bewölkt = hoher Anteil an indirektem Licht; gar kein direkter Anteil (Kein Schatten)

• Bei Weg der Sonne durch Atmosphäre werden kurzwellige blaue Farben absorbiert
• Sonne im Zenit = kürzester Weg durch die Atmosphäre = es werden weniger blaue Anteile gefiltert = Licht bläulicher und kühle = z.B. bei Sonnenuntergang

Kelvin (K)

• Mittagssonne = 5500-5800K
• Morgen- und Abendsonne = 5000K
• künstliche Lichtquellen = meist wärmere Farbtemp.
• "Blaue Stunde" = 12000K = höchsten Werte weil kein direktes Licht scheint, sondern nur die Atmosphäre durch die Sonne beleuchtet ist = kurz nach Sonnenuntergang

• zu niederer Kelvin-Wert = Sonnenlicht bekommt Blaustich
• Kelvin-Wert zu Hoch (Weißabgleich auf eine natürliche Lichtquelle) = künstliches Licht wirkt orange
• AWB - "automatic Whitebalance" = Automatischer Weißabgleich einer Kamera = gibt Farben meist recht natürlich wieder

Grundbegriffe der Optik anhand einer Sammellinse

• Brechnung des Lichts an der Achse der Linse
• Licht bricht 2 mal = Luft --> Glas --> Luft
• Brennpunkt (F) = Ort wo sich Parallele Strahlen gebündelt kreuzen
• Brennweite (f) = Abstand des Brennpunktes zur Linse
• ist Gegenstand (G) mehr als 2f vom reellen Bild (B) entfernt wird es verkleinert und spiegelverkehrt aufgenommen

• Augen werten die Reise von Licht unterschiedlicher Wellenlängen an den Rezeptoren der Netzhaut aus
• 60% der Lichtbrechung passiert in der Hornhaut
• Iris reduziert, durch die Anpassung der Größe, die Menge des Lichts
• Linse bündelt das Licht weiter

• optisches System einer Kamera ist mit menschlichem Auge vergleichbar
• Licht fällt durch mehrere Gruppen von Linsen = bündeln Licht
• Bild wird spiegelverkehrt auf Sensor/Film projiziert
• Blende = zuständig für die Reduktion der Lichtmenge

= Abbildungsfehler optischer Linsen

• kurzwellige, blaue Farben werden stärker gebrochen als langwellige rote >Wellen
• in Kamera-Objektiven wird dieser Effekt korrigiert
• in Digitalfotografie wird dieser Fehler durch Bildbearbeitung kompensiert

Beschäftigt sich mit

• Ordnung von Farben
• Entstehung des Farbreizes
• Gesetze der Farbmischung
• Ordnung in Mathematischen Systemen

• 3 Primärfarben = Rot, Gelb, Blau
• 3 Sekundärfarben = bekommt man durch die Mischung der Primärfarben
• 12 Zwischenfarben = Primärfarbe mit Sekundärfarbe gemischt
• Komplementärfarben = gegenüberliegende Farben des Farbkreises = ergeben beim mischen einen Grauton
• Split-Komplementär Farben = Gegenüberliegende Farben die nach einem bestimmten Winkel gesplittet werden

= Beschreibung eines Bildes in computerlesbarer Form

• besteht aus einer rasterförmigen Anordnung von Bildpunkten = Pixel
• jedem Pixel ist eine Farbe zugeordnet

• Bildgröße ist Hauptmerkmal der Rastergrafik
• gibt an wie viele Pixel der Breite und der Höhe nach auf einem Bild sind
• "Megapixel" = Gesamtzahl der Pixel bei Digitalkameras (z.B. = 640x480 = 1.024.000 = 0,3MP)
• "Pixel Aspect Ration" = Seitenverhältnis eines Pixels

BSP: VGA-Bild

• 640x480 groß = 640 Pixel horizontal (in X-Richtung); 480 Pixel vertikal (in Y-Richtung)
• Aus Breite und Höhe ergibt sich das Seitenverhältnis = "Aspect Ratio"

VGA = 640x480px

DVD-PAL Video = 720x576px

HD Video = 1920x1080px

UHD Video 4K = 3840x2160px

Farbe jedes einzelnes Pixels ist in einem Farbraum oder Farbmodell festgelegt

Es gibt ca. 30 unterschiedliche Farbräume:

• Bitmap
• Grayscale
• indizierte Farben
• RGB
• CMYK

• Pixel können entweder schwarz oder weiß sein
• Farbinformation des Pixels wird also mit einem Bit (0 oder 1) gespeichert

• Pixel hat eine Abstufung zwischen schwarz und weiß
• 8 Bit an Informationen werden gespeichert
• 256 Abstufungen zwischen Schwarz und Weiß möglich

• für jeden Pixel wird ein Index von einem Eintrag einer Tabelle gespeichert
• nicht einzelner Farbwert

• additives Farbmodell
• Grundfarben: Rot, Grün, Blau
• jede der Farben besteht aus 256 Intensitätsstufen = 8Bit pro Farbe

mischt man jeweils 2 Farben der Primärfarben eines RGB Modells, so erhält man die Primärfarben des CMYK Modells und umgekehrt

• subtraktives Farbmodell (physikalische Farbmischung)
• aus dem 4 Farbendruck abgeleitet
• Intensität der jeweiligen Farben wird in % zwischen 0 und 100 angegeben
• Weiß = 0,0,0,0
• wird ausschließlich für den Druck verwendet
• die "Key" Farbe ist für gewöhnlich schwarz kann aber durch jede Farbe ersetzt werden die oft benutzt wird

Da der Ausdruck eines CMYK Bildes auf jedem Ausgabegerät und Ausgabemedium anders aussieht, verwenden Grafiker häufig Farbprofile um Farben exakt beschreiben zu können sowie kalibrierte Monitore im Layout Prozess

• gibt an wie viele Abstufungen pro Farbe oder Helligkeitswert in einem Bild verwendet werden
• wird in Bite Pro Pixel (bpp) angegeben

Bitmap-Bild = 1 Bit Farbtiefe

Graustufenbild = 8 Bit (= 1 Byte)

RGB Bild = 24Bit (3x8 Bit)

• RGB Bilder werden oft in Bit/Farbkanäle (bits per channel) angegeben = 8bit/Channel

• Farbtiefe eines Fabkanals (RGB) kann noch größer sein = bessere Qualität
• Spiegelreflexkameras können bis zu 16Bit/Channel speichern = feinere Abstufung bei Farben und Lichtern
• computergenerierte Bilder (CG) = bis zu 32Bit/Kanal generieren
• solche Bilder erhalten oft einen "Alphakanal" = ermöglicht es Vorder- von Hintergrund zu trennen

• Auflösung eines Bildes ist das Verhältnis der Bildgröße (Pixelanzahl) zur Darstellungs- oder Ausdruckgröße
• In Dots per Inch (DPI) angegeben = Pixel pro Inch (2,45cm)

• Dateiformate die ein Rasterbild beschreiben können

unterscheiden sich nach:

• ihrem Anwendungsbereich
• ob sie verlustbehaftet oder verlustfrei speichern
• ob sie Komprimierungen (Reduktion der Dateigröße) zulassen oder nicht

Windows Bitmap

• verlustfreies Dateiformat
• im Internet kaum verwendet
• 24bpp. (Bit per Pixel)

Grafik Interchange Formate

• Gesamtbittiefe von 8 Bit = 256 Farben
• Jede Art von Grafik mit limitierter Anzahl an Farben kann als gif. gespeichert werden
• kann auch transparente Pixel speichern
• oft für Buttons und Logos usw. verwendet
• "Animated Gif" = kann kurze Animationen speichern

Portable Network Graphics

• Farbtiefe von 16Bit pro Farbkanal
• Dateien können verlustfrei komprimiert werden
• für Grafiken das beste Format
• 256 Abstufungen von Transparenz
• Animationen nicht möglich

• verbreitete Dateiformat für Fotos
• Farbtiefe von 8Bit pro Farbkanal (RGB 3x8 Bit)
• stufenlosen Komprimierung
• bei starker Komprimierung (kleine Dateigröße) treten Fehler auf
• ungeeignet für Text und Grafiken
• bei Farbverläufen und Übergängen mit großem Kontrastunterschied treten Fehler auf
• Alphakanäle und Transparenzen nicht möglich

Tagged Image Fileformat

• 24Bit pro Farbkanal
• LZW Komprimierung = Möglichkeit verlustfrei zu komprimieren
• CMYK Bilder können auch als TIF gespeichert werden
• häufig im Druck verwendet
• können auch Alphakanal enthalten

Programme zur Bearbeitung von Rastergrafiken:

• Malprogramme
• Bildbearbeitungsprogramme für die Erstellung und Manipulation digitaler Bilder
• Programme die durch Stapelverarbeitung die Manipulation vieler Bilder erlauben

Adobe Photoshop, Corel Photo Paint, Gimp, Pixlr, Adobe Bridge, Adobe Lightroom

High Dynamic Range Image (Bild mit hohen Dynamikumfang)

• digitales Bild, welches die vorkommenden Helligkeitsunterschiede der Natur detailreich speichern kann
• 32Bit pro Farbkanal

HDR-Bilder

• oft mit Spezialkameras aufgenommen
• aus einer Reihe, unterschiedlich belichteter Einzelfotos, generiert = gängigste Methode
• Rendering-Programme können auch mit höherem Dynamikumfang speichern

Dateiformate zum speichern von HDR Bildern: HDR, TIF, EXR

• hoher Betrachtungswinkel
• mit Spezialkameras aufgenommen
• aus mehreren Einzelfotos zusammengesetzt = "Stiching"

Stiching Software: Adobe Photoshop, Panorama Studio, Hugin; autopano Giga...

• wie ein abgewickelter Zylinder
• 360° Panorama = wenn Kamera volle Drehung macht

• Bild schaut aus wie aufgewickelte Kugel
• aufnahmen in alle Richtungen
• mit Spezialprogramm oder Plugin (Quicktime, VR) notwendig

• digitale Bilder mit extrem hoher Anzahl an Pixeln
• ausschließlich durch Zusammenführen (Stitchen) von unzähligen Einzelbildern erzeugbar

• basieren auf einer Bildbeschreibung die die Objekte , aus denen das Bild aufgebaut ist, exakt definiert
• Kreis kann z.B. über Lage des Mittelpunktes, Radius, Linienstärke und Farbe beschrieben werden
• geringer Platzbedarf beim speichern, im Vergleich zur Rastergrafik
• stufenlose und verlustfreie Skalierbarkeit

Dateiformate .ai, .dwg, .dxf, .eps, .svg, .pdf

Software: Adobe Illustrator, Indesign, Freehand, Corel Draw, Inkscape

• Lage jedes Punktes eines Objektes ist durch seine Koordinaten im zweidimensionalen Raum festgelegt
• Koordinatensystem in dem jeder Punkt durch ein Koordinatenpaar (x/y) definiert ist

Parameter die das Aussehen bestimmen:

• Linienfarbe
• Linienbreite
• Linienart
• Füllfarbe oder -muster
• Index zur Bestimmung der Zeichenreihenfolge

• Verlustfreie Bearbeitung der Objekte
• Alle Elemente können beliebig verschoben, kopiert, gedreht, skaliert oder gespiegelt werden

• Seitenbeschreibungssprachen (postscript) = PDF oder EPS = allgemein lesbare Dateiformate
• Vorteil PDF = kostenloser Viewer von Adobe und für Druck- und Bildschirmpräsentation gedacht
• Vorteil EPS = Weiterbearbeitung der Vektor Datei
• 


• Vektor wird auch ein Raster übertragen und die Pixel möglichst genau eingefärbt
• Größe des Rasters und Kantenglättung besonders Wichtig

• Auflösung des Rasters = entscheidend für die Qualität der Rasterung
• je weniger Rasterpunkte, desto schlechter die Qualität, desto stärker ein Treppeneffekt
• geringe Auflösung kann dünne Linien oft auch gar nicht darstellen

= Kantenglättung des Rasterbildes um einen Treppeneffekt zu vermeiden

. es werden Pixel mit abgestufter Intensität nebeneinander gesetzt = glättet Übergang

• Durch "Vektorisierung" = beinhaltet gewisse Einschränkungen
• Rasterbilder werden zum Beispiel mit der Funktion "Live Trace" in Adobe Illustrator vektorisiert

automatische Texterkennung

Optical Character Recognition (OCR-Buchstaben)

• Sonderform der Vektorisierung, welche zusammenhängende Farbflächen von Buchstaben erkennt und umwandelt

Repräsentation von Körpern im 3D-Raum

"Direkte Darstellungsschemata" = Volumen des Körpers wird beschrieben

"Indirekten Schemata" = Beschreibung eines Körpers über dessen kanten und Oberflächen

• Methoden können auch kombiniert werden

Constructive Solid Geometry und Oberflächendarstellungen

= am häufigsten verwendete, direkte Darstellungsschemata

• Objekte werden mit Hilfe von Grundkörpern (Kugel, Quader, Zylinder..) modelliert
• auf Grundkörper werden Operationen wie Vereinigung, Schnitt, Differenz angewandt
• Am Ende ergibt sich eine Formel, die beschreibt, wie die Grundkörper miteinander verknüpft sind

"Szene" = Ergebnis einer 3D-Modelierung

• enthält Objektgeometrie, Materialeigenschaften, Lichtquellen, Position und Blickrichtung eines virtuellen Betrachters (Kamera)

.= Körper deren Oberfläche relativ einfach mit einer mathematischen Formel beschrieben werden kann

• Quader
• Zylinger
• Kegel
• Kugel
• Pyramide
• Torus

Diese Grundkörper können beliebig in einer Szene arrangiert werden und durch verschiedene Operationen kombiniert werden

x-, y-, z-Achse

"Rechte Hand Regel"

Weltkoordinaten:

• grundlegendes Koordinatensysteme einer 3D Szene
• immer der gleiche Ursprung und der gleiche Achsenabstand

Objektkoordinaten

• beim erstellen eines Objekts bekommt dieses ein eigenes (lokales) Koordinatensystem

• Beide Koordinatensysteme sind vorerst gleich ausgerichtet. Wird das Objekt verschoben/gedreht ändert sich nur das lokale Koordinatensystem.
• "Pivot Point" = Dreh- und Angelpunkt eines Objektes im Objektzentrum am lokalen Koordinatensystem

Bewegung eines Objektes im Raum = Mathematisch genau berechnet

• Verschieben, Kopieren, Drehen, Skalieren, Spiegeln

Konstruktive Festkörpergeometrie

Constrictive Solid Geometry (CSG)

• erstellt komplexe Oberflächen und Körper, durch kombinieren einfacher Grundkörper

Vereinigung, Differenz, Schnittmenge

• ein Körper wird anhand seiner Oberfläche beschrieben
• indirektes Darstellungsschema
• zweidimensionale Kurven (Splines) werden benutzt
• Splines = Kurvenverlauf durch Kontrollpunkte festgelegt
• Bezierkurven gebräuchlich = werden für die Rasterung in Polygonzüge umgewandelt

Eine Extrusion erzeugt aus einer 2D Linie einen Volumenkörper

• Körper die aus zwei Linien erstellt werden
• eine Linie, der Querschnitt (shape) wird entlang der anderen Linie (Pfad) bewegt = Extrusion entlang des Pfades

.Rotation einer Kurve um einer Rotationsachse

• Torus, Zylinder, Kegel

• bestehen aus Punkten, die untereinander mit Kanten verbunden sind
• Üblicherweise dreiecks- und vierecksvermaschte Polygonnetze
• Vorteil: schnelle Darstellung und Berechnung eines Bildes
• Nachteil: ungetreue Nachbildung der Wirklichkeit = erst mit hoher Anzahl von Polygonen ist es realitätsgetreu

• Gibt an ob und mit welchen anderen Nachbarflächen eine Oberfläche glatt (smooth) dargestellt wird

• Jeder Punkt eines Polygonnetzes hat Texturkoordinaten (U,V,W), welche festlegen, in welcher Größe und Art später die Materialien auf der Oberfläche projiziert werden

Objekte können auch aus "Freiformflächen" zusammengesetzt werden

• können an Kontrollpunkten verformt werden
• Lokale Änderungen am Modell sind einfach möglich

NURBS =Non-Uniform Rational B-Splines

• Art von Freiformfläche
• Die Kontrollpunkte müssen nicht zwingen auf der Kurve liegen
• Es sind keine Tangenten notwendig
• Werden aus Netzwerk von Kontrollpunkten oder Gitterpunkten eindeutig bestimmt
• leichtes Bearbeiten von Flächen und Übergängen zwischen Flächen ist notwendig

Triangulieren: Vor der Darstellung werden NURBS aus Effizienzgrünen meistens in Polygon- oder Dreiecksnetze umgewandelt

• Nur auf Polygonebene können Berechnungsverfahren für Materialien & Beleuchtung schnell berechnet werden

+ Optimierungsalgorithmen zum Einsatz

• Erstellen je nach Flächenkrümmung größere oder kleinere Dreiecksnetze

loakle und globale Beleuchtungsmodelle

• simulieren das Verhalten von Licht auf Oberflächen
• Blickrichtung, Einfallswinkel der Lichtquellen und Materialeigenschaften sind ausschlaggebend
• indirektes Licht (reflektiertes Licht, Umgebungslicht) wird nicht beachtet
• 


Berechnung von Johann Heinrich Lambert, 1760

• Die Helligkeit eines Objekts nimmt mit dem flacher werdenden Abstrahlwinkel ab
• nicht das Licht verliert an Intensität sondern der Einfallswinkel nimmt ab

• simulieren die Ausbreitung von Licht in einer Szene
• auch die Licht-Wechselwirkung ist dargestellt
• sehr rechenintensives Verfahren
• Verfahren des "Global Illumination"
• viele verschiedene Berechnungsalgorithmen kombiniert um Rechenaufwand zu optimieren

Berechnungsalgorithmen:

• Raytracing, Radiosty, Final Gathering, Photo Tracing...

--> für alle, vom Blickpunkt aus, sichtbaren Flächen wird die Summe der einstrahlenden Energie berechnet = Intensität und Farbe dies Lichtes an jeder Position

Zur Beleuchtung von 3D Szenen werden unterschiedliche Arten von Lichtern verwendet sie sich in der Ausbreitungsart des Lichtes Unterscheiden

Punktlichter / Omnidirectional Lights

• mit einer Glühbirne vergleichbar
• Licht in alle Richtungen mit gleicher Intensität
• Können frei in der Szene verteilt werden

• gerichtete Lichtquellen die das Licht in Form eines Kegelns abstrahlen
• mit Taschenlampen oder Autoscheinwerfern zu vergleichen
• zum Rand hin eher unscharfe Grenze
• "Hotspot" = Bereich des Lichts mit voller Intensität
• "Falloff" = äußerer Teil des Kegels in welchem die Intensität bis auf 0 abfällt
• Je größer der Abstand zwischen Hotspot und Falloff, desto weicher wirken die Ränder

Direktionale Lichtquelle (directional light oder infinte light)

• als wäre die Lichtquelle unendlich weit weg
• Parallel einfallende Lichtstrahlen sind vergleichbar mir der Sonne
• wird durch ein Lichtobjekt und ein Zielobjekt in der Szene dargestellt
• aus Optimierungsgründen oft auf die Form eines Lichtzylinders reduziert
• Kann auch einen Hotspot/Fallof haben

Flächenlichter (area lights)

• beleuchten eine Szene in Form einer leuchtenden Fläche die gleichmäßig abstrahlt
• Schatten sehen anders aus als in anderen Lichttypen
• Oft verwendet um kleine Bereiche gleichmäßig auszuleuchten
• z.B. Produkt- oder Schmuckdesign oder um diffuses Licht aus Fenstern zu simulieren

Umgebungslichter (sky lights, environment lights)

• diffuse Lichter die die ganze Szene ausleuchten
• erzeugen Lichtdom/Lichtkugel um ganze Szene
• erzeugen sehr gleichmäßige Grundbeleuchtung
• keine Schatten oder Lichtakzente

• ähneln einer Neonröhre
• Berechnung ist sehr rechenintensiv
• wird besser durch eine Reihe von punktförmigen Lichtern ersetzt

• Lichtfarbe
• Lichtintensität
• Methode der Schattenberechnung
• Möglichkeiten den Intensitätsabfall eines Lichtes zu simulieren

• Schattenwurf in der Computergrafik ist ein Parameter des Lichts, der ein- oder ausgeschaltet werden kann
• Je nach Art der Schattenberechnung entstehen unterschiedliche, charakteristische Schatten

• es wird getestet ob ein Punkt im Raum von einer Lichtquelle sichtbar ist
• Es wird ein Bild aus Blickrichtung des Bildes generiert und daraus der Schatten berechnet
• es ist eine feste Bildgröße gegeben wodurch Schatten unscharf und zum Verlust einiger Modelldetails führt
• Größe des Shadow Maps bestimmt die Detailgenauigkeit und Schärfe des Schattens

• sehr exakte Schattenberechnung
• von jedem sichtbaren Punkt wird ein Strahl in Richtung Lichtquelle geschickt
• Wenn ein Strahl ein Objekt trifft bevor es zur Lichtquelle gelangt, liegt dieser Punkt des Modells im Schatten
• es entstehen scharfe Kanten und es können auch kleinste Details als Schatten abgebildet werden

• Szene wird mit einem HDR Environment Map umhüllt und durch die, im HDR Bild gespeicherten Helligkeitswerte, wird die Szene beleuchtet
• Das Licht und die Reflexionen entsprechen somit sehr exakt der realität vor Ort

• Kausktiken
• Photometrische Lichter (IES Lights)
• Volumetrische Lichter

• Bei der gerichteten Beleuchtung gewölbter brechender oder reflektierender Gegenstände entsteht ein geometrisches Helligkeitsmuster, das durch Intensitätsüberhöung auftritt

• Lichtquellen denen ein photometrisches Ausbreitungsverhalten zugewiesen ist
• Jedes Leuchtmittel hat spezielle Form der Ausbreitung
• Licht breitet sich regelmäßig aus
• mit Entfernung zur Lichtquelle verliert dieses Licht NICHT an Intensität
• Werden vor allem bei Innenraumrenderings verwendet

• Lichtquellen bei denen die Lichtstrahlen sichtbar gemacht werden
• Durch Partikel im Nebel, Dunst, Staub usw werden Lichtstrahlen sichtbar
• bei sparsamen Einsatz entstehen sehr Reale Effekte

• spezielle Lichtquellen, die die Position und Intensität des Lichten nach bestimmten Vorgaben regeln
• Angabe des Ortes, des Datums und der Uhrzeit notwendig
• So können Sonnenstand und realer Schattenwurf berechnet werden

• Belichtung in der Fotografie anhand Blende, Belichtungszeit und Filmenpfindlichkeit --> in Renderprogrammen ähnlich

Diese 3 Werte werden verwendet um die Helligkeit eines bildes zu steuern

• Blende und Belichtungszeit werden durch den Lichtwert LW (engl. Exposure Value EV) ersetzt

Tageslicht Außenszene bei einem LW von:

12 = korrektes Bild

<12 = Bild wird heller

>12 = Bild wird dunkler

= Berechnung der Farben an Oberflächen anhand der zugehörigen Materialeigenschaften um Licht berechnet

Beleuchtungsmodelle

Transparent = Bildelemente die darunterliegende Objekte ganz oder teilweise sichtbar lassen

• beliebig viele Abstufungen von Transparenz bis zu Opazität
• Realistische Transparenz nur möglich wenn Lichtbrechungsverhalten des Materials berücksichtig wird

• das Zurückwerfen einer Welle an einer Oberfläche (Grenzfläche)
• fast jede Oberfläche hat ein Reflexionsverhalten
• Teil der Lichtwellen werden absorbiert, der Rest reflektiert
• "Vollreflexion" = Bei idealen Spiegeln

Reflexionsgesetzt = Das Licht tritt mit dem gleichen Winkel aus, mit welchem es Aufgetreten ist (in Bezug auf die Flächennormale)

• nur bei glatten Oberflächen die keine Rauigkeit aufweisen

Diffuses Reflexionsverhalten rauer Oberflächen = Beim Austrittswinkel kommt es zu einer Streuung

Bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion

bidirectional reflectance distribution function

= Intensität der Reflektion bei echten Materialien ist oft vom Betrachtungswinkel abhängig

BSP Wasser und Glas

• Blick direkt auf die Oberfläche (0° zur Flächennormale) = geringste Reflexion
• Mit größer werdendem Winkel wird das reflexionsverhalten stärker

• Flächen eines dreidimensionalen Oberflächenmodells mit zweidimensionalen Bildern (Texturen) belegt
• Bilder wirken detailreicher und realistischer ohne dass das Modell selbst verfeinert wird

• Farbe eines Objekts durch ein Bild ersetzt
• Erzeugung des hauptsächlichen Farbeindruckes eines Materials

• Graustufenbild, das auf einem Objekt, Oberflächenunebenheiten erzeugt
• Dunkle Teile des Bildes = drücken Oberfläche ein
• weiße Teile = verändern Oberfläche nicht

• Erzeugt Eindruck einer unebenen Oberfläche
• Unebenheiten können unterschiedlichen Richtungen haben
• enthält Rot, Grün, Blau Informationen um Richtung der Oberflächennormale genauer zu definieren = kein Graustufen

• Graustufenbild, das die Transparent eines Objektes regelt
• Teile eines Materials können somit unterschiedlich transparent gemacht werden

Displacement Map = Durch die Veränderung der Geometrie wird eine raue Oberfläche erzeugt

• Die Art und weise wir eine Textur auf ein Objekt (z.B. Kugel) gelegt wird
• Die Texturenkoordinaten (UVW) werden jedem Punkt eines Polygons zugeteilt

Arten von Projektionsarten

• Textur und Planare Projektion auf einer Kugel
• Sphärische Projektion (Bild1)
• Zylindrische Projektion (Bild2)
• Box Projektion (Bild3)
• Face-Mapped (pro Face ein Bild) (Bild4)

• Über die Texturenkoordinaten wird jeder Teil des Bildes genau dem richtigen Teil des Modells zugeordnet
• Unterschiedliche Detailierungsstufen lassen sich leichter realisieren

MIP MAps = multum in parvo

• Rasterbilder, des gleichen Motivs mit abnehmender Bildgröße
• Kantenlänge des kleineren Bildes ist halb so lang wie des jeweilig größeren
• Bilder sind quadratisch und haben Kantenlängen von 2, 2^1, 2^3, 2^4...
• Verwendung bei Spielen um Unterschiedliche Detaillierungsstufen darzustellen

• wenn Schatten einer Szene in die Textur mit einberechnet werden
• Eine Unwrap Textur die auf das Objekt gelegt werden kann
• Darstellung von Schatten ohne weitere Berechnungen

• unsichtbares Material das nur dort sichtbar wird, wp Schatten oder Reflexionen auf das Objekt treffen

• Materialien, die Selbstleuchtend erscheinen und auch die Szene ausleuchten

• Bezeichnung einer Lichtbrechung, die in der Tiefe eines transluzenten Objekts auftritt anstatt auf dessen Oberfläche
• für Haut, Milch, Wachs oder Wolken

Reflexionsschicht und Farbpartikel liegen bei Autolacken meistens in unterschiedlichen Tiefen da Lacke aus mehreren Schichten entstehen

• es wird das typische Reflexionsverhalten von Autolack simuliert

• Reflexionen, die in unterschiedlichen Richtungen anders aussehen = "anisotropen Reflexionsverhalten"

= Alle Punkte eines Objektes in eine Richtung bewegt; Verschiebe-Vektor durch Startpunkt und Endpunkt definiert

--> Kopieren ist eine Sonderform : Es wird nicht das Objekt selbst transformiert sondern dessen Kopie

= Rotation um eine Rotationsachse = als Achsen werden häufig die Koordinatenachsen verwendet

Skalieren

• Skalieren = Größenänderung
• "Uniforme Skalierung" = wenn alle Achsen um den gleichen Wert skaliert werden
• "Stauchung" = Skalierung nur einer oder zwei Achsenrichtungen

Spiegeln

• Spiegeln an einer beliebigen Ebene
• häufig an einer Koordinatenebene (XY, XZ, ZY)

Berechnung eines lokalen Beleuchtungsmodells

• Vom Blickpunkt (kamera) aus wird die Helligkeit und die Materialeigenschaften jedes Objekts berechnet
• je direkte die Fläche der Lichtquelle zugewandt ist, desto heller ist sie
• Wird über den Normalvektor einer Fläche berechnet
• Berechnung wird zwischen den Dreiecksflächen (face) interpoliert

Polygonnetz (mesh) besteht aus Punkten (vertex)

• zwei dieser Punkte bilden eine Kante (edge)
• 3 Punkte bilden eine Dreieckfläche (face)
• Die Reihenfolge der Punkte legt fest welche Seite die Vorderseite ist
• Punkte gegen UZS = mathematisch positiv = Vorderseite zu sehen
• Normalvektor steht Normal auf die Vorderseite = später wichtig für die Berechnung des Materials einer Oberfläche

bekanntestes Beleuchtungsmodell in der CG um glatte Oberflächen darzustellen

• an jenen Punkten der Oberfläche, die direkt zur Lichtquelle gerichtet sind, entsteht ein Glanzpunkt

Intensitätsabfall vom Licht in Ausbreitungsrichtung

• je schneller die Intensität abnimmt umso weniger weit breitet sich das Licht aus

= Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle die durch den Berechnungsindex eines Material beschrieben wird

• Der Berechnungsindex (Index of Refraction IOR ) gibt an um welchen Faktor das Licht in einem Material langsamer ist als Vakuum
• Die Refraktion eines transparenten Materials kann entweder klar oder matt sein = "diffuse Refraktion"
• Je weiter weg ein Objekt vom diffus brechenden Objekt ist, desto unschärfer ist es

Prozedurale Texturen = Bilder, deren Muster nach bestimmten Regeln vom Computer erstellt werden

= Level of Detail

Erzeugung eines Bildes aus 3D Daten (Szene)

Folgende Aspekte müssen berücksichtigt werden:

• Standpunkt des Virtuellen Betrachters (Kamera, Ansicht, Axonometrie)
• spezifische Materialeigenschafte
• Verteilung des Lichts

"Renderer" / "Renderengine" = Computerprogramme oder Programmteile zum Rendern

Blickpunkte einer virtuellen Welt oder Szene werden durch die Koordinaten der "Kamera" eindeutig definiert

Öffnungswinkel = Sichtbarer Bereich der Kamera

• entweder als Winkel in grad oder über die Brennweite einer Linse in Millimeter bestimmt

FOV = Field of View

= Field of View = Öffnungswinkel einer Kamera

= Ein ausgewählter Teil ist scharf der Rest unscharf

• ist bei Computergenerierten Kamers eigentlich nicht üblich aber kann auf Wunsch eingestellt werden

Clipping Ebenen = ein Bereich der Szene wird hierbei weggeschnitten

• Definiert man die Clipping Ebene in 10m Entfernung wird an dieser Stelle geschnitten und alle weiter entfernten Objekte werden nicht mehr dargestellt

Belichtung von 3 Faktoren abhängig:

Von einem Stop zum anderen verdoppelt oder halbiert sich die Lichtmenge die auf den Film/Chip trifft

Lichtwert LW oder Exposure Value EV

= gängiger Faktor um die Helligkeit einer Szene zu regeln

• Kamera mit orthografischer Projektion = spezielle Kamer, die keine Perspektive liefert, sondern eine Axonometrie = Parallelprojektion

= Kameraeffekte, die durch Rendern mehrerer Durchgänge berechnet werden

• häufig zwischen 6 und 12 Passes

schnell bewegte Objekte werden im Bild leicht unscharf

bei stürzenden vertikalen Linien kann die Verwendung einer Kamerakorrektion die Perspektive ausgleichen

• durch Knick-Objektive (Zilt-Shirft Objektive)
• in Rederingprogrammen wird die Kamera automatisch oder manuell korrigiert

bei gerenderten Bildern entsteht keine Verzerrung

• diese kann aber danach hinzufügen / berechnen
• "Video-Post Effekte" = Bezeichnung wenn Effekte erst im nachhinein eingefügt werden

= Verzerrung des Bildes durch das Objektiv

• bei weiten Brennweiten (Weitwinkel Objektiven) werden vertikale Linien gekrümmt
• bei extremen Weitwinkelobjektiven (Fisheye) werden alle geraden Linien gekrümmt

Verdunklung oder Abschattung am Rand eines Bildes

• tritt bei generierten Bildern nicht auf sondern muss hinzugefügt werden

Sphärisches Panorama =extreme Art einer Bildverzerrung

• Vom Kamerapunkt aus wird in alle Richtungen ein 360° Bild berechnet
• Seitenverhältnis 2:1

Standardisierte Bildausschnitte der Filmindustrie

• beschreiben wir groß und in welchem Verhältnis zum Bildausschnitt ein Objekt/Person abgebildet ist

Landschaft ist Bildinhalt, Menschen nur klein dargestellt

Eine Person oder Gruppe in ihrer Umgebung vollständig dargestellt

Person von Kopf bis Knie

Kopf bis Hüfte

Kopf bis Schultern

Gesicht Formatfüllend

Teil des Gesichts

"Italian shot" wenn nur die Augen gezeigt werden = bei Westernfilmen

zwei Personen im Medium shot oder medium close up

Einstellung aus der Blickrichtung eines aktiven oder erzählenden Charakters

Die Linse oder Brennweite einer Kamera bestimmt, wie die Geometrie einer Szene im zweidimensionalen Bild abgebildet wird

• geringe Brennweite (50-24mm)
• als "Weitwinkellinsen" bezeichnet
• für Innenraum Renderings praktisch

Fisheye; Brennweiter von weniger als 24mm

• Brennweiter größer als 50mm
• Tele (50-135mm)
• ab 135mm als Extreme Telefoto Linse
• Kamera muss sich in großem Abstand zum Objekt befinden

• Programme oder Programmteile die Bilder aus einer Szene, samt Material, Licht usw. generieren
• Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich in ihrem Berechnungs-Algorithmus
• Renderengines sind häufig Plugins für Modellierprogramme oder auch als "Stand-alone" Version

= Bezeichnet verschiedene Methoden zum Erzeugen von Bildern, die bewusst nicht dem Physikalisch korrektem Abbild des Modells entsprechen

• Verwendung bei technischen Illustrationen oder Comic- oder Zeichentrickfilms

= Renderverfahren, dass von den Objekten der Szene nur die Umrisse (Konturen) rendert

neben des Renderings der Szene können noch weitere Informationen der 3D Geometrie ausgegeben werden. Diese erleichtern die Nachbearbeitung

• Alpha Kanal
• Z-Depth
• Material oder Objekt ID
• Schatten, Reflexionen,..

• Graustufenbild, welches den Vordergrund vom Hintergrund trennt
• Vordergrund = weiß dargestellt
• Hintergrund = schwarz
• Objekte mit Transparenz = Graustufen
• kann als eigenes Bild gespeichert werden oder als 4. Kanal eines RGB Bildes = "RGBA Bild"
• Als TIF, PNG, EXR speicherbar

Graustufenbild = alles was nahe ist ist weiß und um so weiter man nicht hinten geht desto schwärzer wird es

• so kann nachträglich die Schärfentiefe eines Bildes bearbeitet werden

= Es können einzelne Dinge nachbearbeitet werden

• Schatten und Reflektionen werden, vor allem bei Animationen, als eigenes Bild gespeichert um die Intensität später einstellen zu können

= Bewegung durch eine Serie von Einzelbildern zu beschreiben und darzustellen

• Illusion der Bewegung durch die rasche Folge einzelner Bilder/Frames

= 24,25 oder 30 Bilder pro Sekunde = FPS = Frames per Second

= Eine Serie von Frames, von einer einzelnen Kamera ohne Unterbrechung aufgenommen

= mehrere Kamerashots mit zusammenhängendem Inhalt

= Eine animierte Sequenz durch Schlüsselszenen festgelegt

Bewegungen zwischen den Szenen wird durch Interpolation/ In-betweening erreicht

= Handgezeichnete Animationen oder Cel Animations

• Modell durch eine Serie von Einzelbildern aufgenommen
• die animierten Objekte werden von Frame zu Frame von Handweiterbewegt
• Verwendung von Plastilin, Ton, Gummi- oder Latexmodellen über einem Metallskelett

= Metallskelette um eine Stopmotion direkt in eine Animationssoftware zu übernehmen

• es werden Bewegungsdaten aus dem Skelett der Figur ausgelesen

= realistische Modelle die in Echtzeit bewegt werden

• mit kabeln oder Fernsteuerung oder indem Schauspieler Kostüme tragen
• ersparen aufwendige Compisiting

• Performance Animation
• Character Animation
• Effekt Animation
• Visual Effects Animation in live-Action Filmen

Puppenspiele = älteste Form von Performance Animation

= traditionelle Form des japanischen Puppentheaters, bei der die Puppenspieler neben oder hinter ihren Puppen auf der Bühne stehen und diese bewegen/animieren

= Art Puppenspiel (Person bewegt Puppen) in die digitale Welt übertragen wird

Zwei Arten:

1. Figur wird in Echtzeit bewegt = live motion capture
2. Bewegungen werden aufgenommen und und er Animationssoftware bearbeitet = processed motion capture

• Königsdisziplin der Animation

Primäre Animation = Fortbewegung, Handlung

Sekundäre Animation = Effekte, physikalisch richtiges Verhalten, Interaktionen mit der Umwelt

• werden von verschiedenen Animateuren bearbeitet

Techniken der Kinematik (forward und inverse Kinematic) zusammen mit Motion Capture Techniken kombiniert

= Natürliche Phänomene wie Feuer, Rauch, Wien, Wasser darstellen

• Verwendung von Partikel Systemen, prozedurale Techniken sowie dynamische Simulation

= animierte Elemente müssen dem Visuellen Stil des Realfilms in Bewegung, Farbe, Beleuchtung und Perspektive entsprechen

Die Bewegungen einer normalen oder virtuellen Kamera sollten den traditionellen kinematographischen Bewegungen entsprechen

• Dolly
• Boom
• Truck
• Pan
• Tilt
• Roll

Müssen mit Kränen (Crane SHot) gemacht werden

Kamera bewegt sich mit Objekt mit = Tracking Shot

= Dolly Bewegungen mit einer Veränderung der Brennweiter kombiniert

• Hauptperson bleibt gleich Groß während sich die Perspektive des Hintergrunds stark verzerrt

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