Schlüsseltechnologie

Heute geht es viel um Spiele. Denn anscheinend sind diese fast das Einzige, das Xyrill und ttimeless einfällt, wenn es um 3D-Grafik geht. Allgemeiner dreht sich diese Folge darum, was es alles braucht, um Körper in virtuellen Welten darzustellen. Der Abschluss der vierteiligen Reihe über Grafik, und was dazu notwendig ist.

• Vergleich zu 2D-Desktop-Grafik (STP008)

  • Zeichenreihenfolge ist nicht so offensichtlich (Was ist vorne? Was ist hinten?)
  • höherer Anspruch an Realismus: dynamische Beleuchtung, Texturierung, etc.
  • Randbemerkung: auch 2D-Spiele werden heute meist in einer 3D-Szene aufgebaut
  • Grundeinheit für 3D-Modelle: nicht der Pixel, sondern das Polygon (deswegen kommen wir um Fließkommazahlen nicht herum)

• Vorbemerkungen zu den folgenden Schritten:

  • all dies passiert für jedes Einzelbild von vorne (also bei 60Hz 60-mal pro Sekunde)
  • zur Illustration verlinken wir auf Beispielbilder aus den Übungsunterlagen für einen Kurs in 3D-Rendering-Grundlagen

• Schritt 1: 3D-Modell mit Polygonen

  • Polygon heißt wörtlich "Vieleck", aber 3D-Modelle bestehen meist nur aus Dreiecken
  • Polygone mit vier und mehr Ecken können mittels Triangulation in Dreiecke zerlegt werden
  • Darstellung eines 3D-Modells als Gitternetz

• Schritt 2: Kamera

  • grundsätzlich ein Paar aus Blickpunkt und Blickrichtung, aber mit einigen weiteren Parametern
  • mathematische Grundlage: Quaternionen
  • Sichtfeld (Field of View): beim Menschen 130°; bei Videospielen meist weniger, je nachdem, wieviel Platz der Bildschirm im Sichtfeld einnimmt (z.B. 90° am PC, 60° an Konsolen)

• Schritt 3: Ausmalen der Polygone (Rasterisierung)

  • Backface Culling (Rückseiten-Auslese): wir werfen alle Polygone weg, die von uns wegzeigen
  • Beispiel mit ausgemalten Polygonen nach Backface Culling
  • Z-Buffer: wenn wir Polygone ausmalen, dann malen wir nur die Pixel aus, bei denen wir nicht schon Polygone gemalt haben, die näher an der Kamera dran sind
  • Beispiel mit ausgemalten Polygonen unter Verwendung des Z-Buffers

• Schritt 4: Texturen

  • bis jetzt war jedes Polygon einfarbig, jetzt kleben wir Bilder auf (analog zu Modellbausätzen)
  • in der Praxis ein großes Bild für das ganze Modell
  • jede Ecke jedes Polygons wird zu einem Punkt in der Textur zugeordnet
  • Beispiel mit Polygonen, die mit ihrer Textur ausgemalt sind

• Einwurf: Was unterscheidet einen Grafikprozessor (GPU) von einem Hauptprozessor (CPU)?

  • CPU-Kerne führen einzelne Befehle auf einzelnen Daten aus
  • GPU führt einzelne Befehle auf vielen Daten gleichzeitig aus, z.B. Rasterisierung von 10000 Polygonen gleichzeitig oder Z-Buffer-Prüfung für 10000 Pixel gleichzeitig
  • dadurch auch für andere massiv parallelisierbare Operationen interessant ("GPGPU", General Purpose GPU), z.B. wissenschaftliche Simulationen, maschinelles Lernen, Passwortknacken

• Schritt 5: Shader

  • bis jetzt haben wir die Fixed Function Pipeline beschrieben, eine im GPU-Treiber fest vorgegebene Kette von Rendering-Schritten
  • neuere GPU (seit den frühen 2000ern) erlauben das Einbetten von eigenen Programmen (Shadern) in die Pipeline
  • Vertex Shader: wird einmal pro Vertex (Ecke eines Polygons) aufgerufen, um die 2D-Position auf dem Bildschirm zu berechnen (ansonsten normale Berechnung anhand der konfigurierten Kameraposition)
  • Fragment Shader: wird einmal pro Pixel aufgerufen, um gegebenenfalls die Farbe des Pixels zu modifizieren
  • Beispiel eines Fragment-Shaders, der eine Farbtextur auf 6 feste Farbstufen reduziert

• Schritt 6: Beleuchtung

  • bei traditionallen 2D-Spielen mit Sprites war Beleuchtung meist global (z.B. jedes Objekt hat 2 Sprites, einmal für dunkle und einmal für helle Szenen)
  • dynamische Beleuchtung: heute meist als Teil des Fragment Shaders
  • Beispiel: Phong's Approximation einer natürlichen Beleuchtung
    • 1. Anteil: ambiente Beleuchtung (überall gleich stark, Grundausleuchtung wie in einem Fernsehstudio)
    • 2. Anteil: diffuse Beleuchtung (abhängig davon, wie sehr die beleuchtete Fläche zur Lichtquelle hingewendet ist)
    • 3. Anteil: spekulare Beleuchtung (Glänzen; stark überbetont auf Flächen, die fast exakt zur Lichtquelle hingewendet sind)

• es gibt noch so viel mehr: Kantenglättung (Antialiasing), lineares und anisotropisches Filtern, Normal Mapping, Raytracing