Computer Grafik at Hochschule Karlsruhe

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Raytracing

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Erläutern Sie, welche Arten von Licht im Phong-Beleuchtungsmodell verwendet werden

und welches ihre wesentlichen Eigenschaften sind.

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Backface Culling

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Bounding Box-Test

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Erläutern Sie, welche Wechselwirkungen Licht mit Materie bei der Verwendung des Phong-Beleuchtungsmodells im Sinne der Computergrafik

haben kann:

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Radiosity

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Texturtransformation

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Vor- und Nachteile von Radiosity

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Wie bestimmt man die Normalenvektoren, die für das Phong-Beleuchtungsmodell

benötigt werden, bei einem polygonalen Netz mit Gouraud-Shading?

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Unterschiede zwischen dem Maler-Algorithmus und dem Z-Buffer-Algorithmus.


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Welche Alternativen zur Voxeltechnik kennen Sie:(Name + Erläuterung)

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Nennen Sie 5 Techniken, die eingesetzt werden können, um den realistischen Eindruck

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Computer Grafik

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Raytracing

Ausgehend vom Augenpunkt werden Strahlen "durch Pixel der Bildebene geschossen und Schnittpunkte mit den Objekten der Szenen berechnet. Die Farbe des getroffenen Objektes fließt in die Farbe des Pixels mit ein. Um Eigenschaften wie Transparenz und Reflexion nachzubilden, müssen die Strahlen weiterverfolgt werden (Raytracing). Der Algorithmus wird rekursiv mit sekundären Strahlen wie beispielsweise Transmissions- oder Reflexionsstrahlen aufgerufen. Die Schattenstrahlen prüfen auf Schattenwurf.

Computer Grafik

Erläutern Sie, welche Arten von Licht im Phong-Beleuchtungsmodell verwendet werden

und welches ihre wesentlichen Eigenschaften sind.

Ambientes Licht:

  • so stark gestreut dass keine Richtung festellbar ist
  • gleichmäßige Bestrahlung von allen Seiten 
  • enthält keine Schattierung/Schattenwurf


Punktlichtquelle:

  • hat eine bestimmte Position in der Szene
  • strahlt radial in alle Richtungen (Glühlampe)


Gerichtetes Licht:

  • besitzt unendlich weit entfernt, parallele Lichtstrahlen in eine bestimmte Richtung (Sonnenlicht)


Spot-Lichtquelle:

  • bestimmte Position in der Szene
  • strahlt in eine bevorzugte Richtung, in die davon abweichende Richtung strahlt sie mit geringer Intensität
  • (Scheinwerfer)

Computer Grafik

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Backface Culling

Technik mit der ein Großteil von nicht sichtbaren Dreiecken einer Szene eliminiert werden können -> Darstellungsgeschwindigkeit erhöhen.

Die Dreiecke werden weggelassen, die der Beobachter/Kamera von hinten sieht.
(nur solide Objekte mit geschlossener Oberfläche)


Rückseite bestimme:

Vorder und Rückseiten der Dreiecke wird durch die Reihenfolge der Eckpunkte, durch die sie aufgebaut werden, bestimmt.

Vorderseite ist die Seite, bei der das Dreieck gegen den Uhrzeigersinn aufgebaut scheint. Bei Erzeugung des Bilds wird zu jedem Dreieck die Drehrichtung bestimmt. Wenn gegen den Uhrzeigersinn -> restilche Schritte der Rendering-Pipeline ausgeführt; sonst wird das Dreieck von hinten gesehen. 


Computer Grafik

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Bounding Box-Test

Beim Minimax-Test werden Bounding-Boxes verwendet.

=> eine Box um das Objekt um auf Durchdringung zu testen.

Computer Grafik


Erläutern Sie, welche Wechselwirkungen Licht mit Materie bei der Verwendung des Phong-Beleuchtungsmodells im Sinne der Computergrafik

haben kann:

Materialien können emissive, ambiente, diffuse und spiegelnde Komponenten haben, die angeben, welcher Farbanteil welcher Lichtquellen reflektiert wird:

  • Eigenleuchten, Emission
  • ambient reflektierende Komponente
  • diffus reflektierende Komponente
  • spiegelnd reflektierende Komponente
  • transparente Materialien

 

Computer Grafik

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Radiosity

Vorgehensweise:

besteht aus der simultanen Berechnung der ein- und ausfallenden Lichtintensitäten jeder Fläche.


Ergebnis: 

ist exakte Beschreibung der globalen Beleuchtung mit den ausgedehnten Lichtquellen und weichen Schatten.


Grundlage: 

Prinzipien des Energietransports und der Energieerhaltung.


Voraussetzungen:

  • Szene muss geschlossene Umgebung sein (kein Licht von außen erhalten),
  • alle Flächen ideal diffus und
  • Reflexion und Emission konstant über eine Fläche


Ablauf:

  1. Das Einlesen der Geometrie, der Kameraposition und der Materialeigenschaften von Flächen.
  2. Die Unterteilung der Flächen sodass die Voraussetzungen der Radiosity erfüllt sind.
  3. Die Berechnung der Formfaktoren.
  4. Die Auflösung des Gleichungssystems.
  5. Die Erzeugung des Bildes mit einfachem Verfahren, zum Beispiel dem Z-Buffer-Algorithmus.
  6. Die Ausgabe des Bildes.

Computer Grafik

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Texturtransformation

Um Materialien wie beispielsweise Holz, Stein und Haut realistisch darzustellen, verwendet man Texturen. Dies sind auf Polygonoberflächen abgebildete digitalisierte Fotos oder synthetisch erzeugte Bilder. Das Bild muss dabei nicht auf ein Polygon beschränkt sein, sondern kann flächig auf mehrere Polygone aufgetragen werden.

Dabei werden zu einem Pixel auf der Objektoberfläche die (u,v)-Koordinaten eines Punktes in den Texturkoordinaten des Bildes bestimmt. Dieses Vorgehen nennt sich Texture Mapping.

Computer Grafik

Vor- und Nachteile von Radiosity

Vorteile:

  • ausgedehnte Lichtquelle
  • weiche Schatten
  • bessere Bildqualität als beim Raytracing
  • Formfaktoren müssen nur bei Geometrieänderung neu bestimmt werden und nicht bei einer Änderung der Kameraposition.


Nachteile:

  • hohe Rechenaufwand für Vorverarbeitung
  • Berechnung von n^2 Formfaktoren bei n Flächen
  • sehr feine Unterteilung der Flächen (zum erfüllen der Voraussetzungen) 

Computer Grafik

Wie bestimmt man die Normalenvektoren, die für das Phong-Beleuchtungsmodell

benötigt werden, bei einem polygonalen Netz mit Gouraud-Shading?

Die Normalenvektoren in den Eckpunkten werden analytisch aus dem exakten Modell oder durch Mittelung der Normalen der Nachbarpolygone bestimmt.

Computer Grafik

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Unterschiede zwischen dem Maler-Algorithmus und dem Z-Buffer-Algorithmus.


  • Der Maler-Algorithmus ist ein Objektraum-Algorithmus welches ein analytischer Algorithm; und der Z-Buffer-Algorithm ein Bildraumalgorithmus, dass ein pixelorientierter Algorithmus ist.
  • Das Grafiksystem ist im Maler-Algorithmus eine Vektorgrafik, die Objektraumalgorithmen erfordert. Im  Z-Buffer-Algorithmus ist es eine Rastergrafik, die zur Entwicklung von Echtzeit-Rasteralgorithmen zur Flächendarstellung führt.
  • Die Implementierung ist beim Maler-Algorithmus komplex und beim  Z-Buffer-Algorithmus einfach, aber benötigt einen höheren Speicherbedarf.
  • Die Parallelisierbarkeit ist beim Maler-Algorithmus ein analytisches Verfahren, welches einen höheren Kommunikationsaufwand erfordert. Beim Z-Buffer-Algorithmus ist dies eine Rastertechnik, die hardwaremäßig leicht parallelisierbar ist.
  • Der Maler-Algorithmus  wird in Anwendungen mit hoher Genauigkeit oder Hardcopies verwendet. Der  Z-Buffer-Algorithmus hingegen bei interaktiven Echtzeitgrafiken.

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Welche Alternativen zur Voxeltechnik kennen Sie:(Name + Erläuterung)

Octrees:


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eines computergenerierten Bilds zu steigern.

  • Raytracing
  • Radiosity
  • Antialiasing
  • Texturtransformation
  • Schattenwurf

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