Verfügbarkeit: Warum sich der Dino furchtbar erschreckte

Warum sich der Dino furchtbar erschreckte: Lehrbuch zu Beleuchtung und Rendering mit Java, LWJGL, OpenGL, OpenCV und GLSL

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Block-Berlitz, Marco 1978- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Berlin vividus Wissenschaftsverlag 2020
Ausgabe:	2. aktualisierte und erweiterte Auflage
Schlagworte:	Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	xix, 399 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm
ISBN:	9783981936254

Internformat

MARC


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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS 1. EINFUEHRUNG IN OPENGL UND LWJGL 1 1.1. EINFUEHRUNG IN OPENGL ......................................................................................... 2 1.1.1. LEISTUNGSFAEHIGKEIT DES RECHNERS ................................................................ 3 1.1.2. OPENGL ALS ZUSTANDSAUTOMAT ................................................................ 3 1.1.3. OBJEKTREPRAESENTATIONEN ............................................................................. 4 1.1.4. DREIECKE UNTER DER LUPE ............................................................................. 5 1.1.5. VEREINFACHTE RENDERPIPELINE ...................................................................... 7 1.2. EINFUEHRUNG IN LWJGL ............................................................................................ 8 1.2.1. VORBEREITUNG VON ECLIPSE UND LWJGL .................................................... 8 1.2.2. DIE KLASSE LWJGLBASISFENSTER ................................................................ 9 1.3. BEISPIELSAMMLUNG ZU OPENGL UND LWJGL ....................................................... 11 1.3.1. BEWEGTES DREIECK ......................................................................................... 11 1.3.2. AWT/SWING UND LWJGL ZUSAMMENBRINGEN ........................................... 13 1.3.3. ABFOLGEN VON TRANSFORMATIONSKETTEN ....................................................... 15 1.3.4. DREHENDER WUERFEL ...................................................................................... 15 1.3.5. WUERFELPROJEKTION AUF EINE FLAECHE ............................................................. 17 1.3.6. WEHENDE FLAECHE ......................................................................................... 18 1.4. OBJEKTE ERSTELLEN, SPEICHERN UND LADEN ................................................................ 19 1.4.1. DAS WAVEFRONT OB J-FORMAT ...................................................................... 20 1.4.2. OBJEKTE LADEN UND VISUALISIEREN ................................................................ 22 1.5. BESCHLEUNIGUNG UND LANGLEBIGKEIT DURCH BUFFER-OBJECTS .................................. 22 1.5.1. BEWEGTES DREIECK MIT BUFFER-OBJECTS ....................................................... 23 1.5.2. DREHENDER WUERFEL IN FARBE MIT BUFFER-OBJECTS ..................................... 25 1.6. EINE KLEINE SPIELUMGEBUNG SCHAFFEN ...................................................................... 29 1.6.1. DER PERFEKTE FLUMMI IN MINIMALLOESUNG ............................................... 29 1.6.2. EBENEN VON STATISCHEN UND DYNAMISCHEN OBJEKTEN ................................ 30 1.6.3. VIELE OBJEKTE VERWALTEN ............................................................................. 33 1.6.4. STRATEGISCH MIT VERHALTEN UMGEHEN .......................................................... 35 1.7. KOLLEKTIVE INTELLIGENZ UND SCHWARMVERHALTEN ....................................................... 38 1.7.1. STEUERUNGSVERHALTEN STATT INDIVIDUELLER WEGEPLANUNG ............................ 38 1.7.2. BESCHLEUNIGUNG INS SPIEL BRINGEN ............................................................. 39 1.7.3. KRAEFTE AUS DER PHYSIK UEBERNEHMEN .......................................................... 43 1.7.4. STEUERUNGSKRAEFTE ZIEL FOLGEN, ZIEL ERREICHEN ODER FLIEHEN ......................... 45 1.7.5. DIE DREI KRAEFTE DER FLOCKING-BOIDS .......................................................... 46 1.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................ 50 1.9. UEBUNGSAUFGABEN ..................................................................................................... 50 INHALTSVERZEICHNIS 2. EIGENE SHADER IN GLSL ENTWICKELN 53 2.1. KONVOLUTION UND BLUR-EFFEKT IN JAVA .................................................................... 54 2.1.1. GLAETTUNG DURCH KONVOLUTION ....................................................................... 54 2.1.2. DAEMPFUNG DURCH MAUS-INTERAKTION ........................................................... 55 2.1.3. PSEUDOCODE FUER GEDAEMPFTEN MITTELWERTFILTER ........................................... 56 2.1.4. PROGRAMMCODE DER ERSTEN PROJEKTSTUFE ..................................................... 56 2.2. EINFUEHRUNG IN VERTEX- UND FRAGMENT-SHADER ........................................................ 57 2.2.1. VEKTOREN UND MATRIZEN IN GLSL .............................................................. 58 2.2.2. MODULARISIERUNG DES PROGRAMMCODES ........................................................ 59 2.2.3. SHADERCODE MIT LWJGL .............................................................................. 60 2.2.4. GELBES QUAD ROTIEREN LASSEN ....................................................................... 61 2.2.5. FARBE AUS TIEFENINFORMATIONEN ERZEUGEN .................................................. 64 2.3. BLUR-EFFEKT MIT SHADER ............................................................................................. 65 2.3.1. STRUKTUR FUER BLUR-EFFEKT-SHADER ................................................................. 65 2.3.2. GAUSSVERTEILUNG STATT VIERECK .................................................................... 67 2.3.3. SHADERCODE FUER VISUALISIERUNG .................................................................... 68 2.4. REALISIERUNG EINER EINFACHEN WASSERDYNAMIK ........................................................ 69 2.4.1. VEREINFACHTE SCHWINGUNGSDYNAMIK ........................................................... 69 2.4.2. SCHWINGUNGSDYNAMIK IN JAVA .................................................................... 70 2.4.3. SCHWINGUNGSDYNAMIK MIT EINEM FRAGMENT-SHADER ............................... 71 2.5. REFRAKTION UND SCHATTEN .......................................................................................... 73 2.5.1. REFRAKTIONSVEKTOR BESTIMMEN .................................................................... 73 2.5.2. SHADERSTRUKTUR FUER REFRAKTION .................................................................... 76 2.5.3. EINFACHER SCHATTENEFFEKT DURCH GRADIENTEN ............................................... 77 2.6. REFLEXION UND KAUSTIK ............................................................................................. 79 2.6.1. UMSETZUNGSIDEE ZUM REFLEXIONSEFFEKT ........................................................ 79 2.6.2. REFLEXIONSVEKTOR BERECHNEN ....................................................................... 79 2.6.3. SHADERCODE ZUR REFLEXION ........................................................................... 80 2.6.4. UMSETZUNGSIDEE ZUM KAUSTIKEFFEKT ........................................................... 81 2.6.5. SHADERCODE ZUR KAUSTIK .............................................................................. 82 2.7. KOMBINATION ZU EXPERIMENTELLER WASSERSIMULATION ........................................... 83 2.7.1. KONTINUIERLICHES WOLKENBILD ....................................................................... 83 2.7.2. SHADERCODE FUER EFFEKTKOMBINATION ........................................................... 83 2.8. WASSERDYNAMIK IM VERTEX-SHADER .......................................................................... 84 2.8.1. VERKNUEPFUNG VON GEOMETRIE UND TEXTUR .................................................. 84 2.8.2. WELLENDYNAMIK UND GEOMETRIE VERBINDEN ................................................ 85 2.8.3. VISUALISIERUNG DER GEOMETRIE UND SHADERKOMPOSITION ......................... 86 2.9. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK .............................................................................. 86 2.10. UEBUNGSAUFGABEN ...................................................................................................... 87 3. GRUNDLAGEN DES BELEUCHTUNGSDESIGNS 89 3.1. WAHRNEHMUNG VON SICHTBAREM LICHT ................................................................... 90 3.1.1. ENTSTEHUNG EINES BILDES IM AUGE .............................................................. 90 3.1.2. ENTSTEHUNG EINES BILDES IN DER KAMERA ..................................................... 92 3.1.3. BEDEUTUNG DER FARBEN ................................................................................. 92 XII INHALTSVERZEICHNIS XIII 3.1.4. FARBSCHWAECHEN UND -BLINDHEIT ................................................................... 93 3.2. MOTIVIERTER LICHTEINSATZ ......................................................................................... 95 3.3. LICHT TRANSPORTIERT KONTEXT ................................................................................... 95 3.4. LICHTDESIGNER DUERFEN TRICKSEN ................................................................................ 95 3.5. ZIELE DES BELEUCHTUNGSDESIGNS ................................................................................ 95 3.5.1. DINGE GLAUBHAFT MACHEN ............................................................................. 96 3.5.2. DINGE LESBAR ODER ERKENNBAR MACHEN ....................................................... 97 3.5.3. SZENEN DURCH SCHATTEN UND WEITERE EFFEKTE BEREICHERN ......................... 97 3.5.4. ERHALTUNG DER KONTINUITAET ......................................................................... 93 3.5.5. FOKUS DES BETRACHTERS LENKEN ....................................................................... 101 3.5.6. MATERIALEIGENSCHAFTEN VERSTAERKEN ................................................................. 102 3.5.7. EMOTIONALITAET UND KONTEXT TRANSPORTIEREN ................................................. 102 3.6. BELEUCHTUNGSKONZEPT THREE-POINT-LIGHTING .............................................................. 102 3.6.1. EINFLUSS DES KEY-LIGHTS ................................................................................ 103 3.6.2. EINFLUSS DES FILL-LIGHTS ................................................................................... 103 3.6.3. AUFGABE DES BACK-LIGHTS ............................................................................. 103 3.6.4. KOMBINATION VON KEY-, FILL- UND BACK-LIGHT ........................................... 105 3.7. BELEUCHTUNGSKONZEPT FOUR-POINT-LIGHTING .............................................................. 105 3.8. KOMPOSITION EINER SZENE ............................................................................................ 106 3.8.1. DER GOLDENE SCHNITT ...................................................................................... 106 3.8.2. KOERPERHALTUNG BERUECKSICHTIGEN .................................................................... 107 3.8.3. BALANCE ZWISCHEN VORDER- UND HINTERGRUND .............................................. 107 3.8.4. GEZIELTE UEBERDECKUNGEN ................................................................................ 109 3.9. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................ 109 3.10. UEBUNGSAUFGABEN ........................................................................................................ HO 4. VEKTOREN ALS POSITIONEN, RICHTUNGEN UND FARBEN 111 4.1. VEKTOREN ALS RICHTUNGEN ............................................................................................ 112 4.1.1. IMPLEMENTIERUNG VON VEKTOR3D .......................................... 114 4.1.2. VEKTORRICHTUNG ZUM ODER VOM LICHT .......................................................... 116 4.1.3. SKALARE UND VEKTOREN ................................................................................... 118 4.1.4. VEKTORLAENGE, NORMIERUNG UND INNERES PRODUKT ........................................ 118 4.1.5. DIE KOSINUSFORMEL ......................................................................................... 121 4.1.6. DAS KREUZPRODUKT ......................................................................................... 126 4.2. VEKTOREN ALS POSITIONEN ............................................................................................ 127 4.2.1. HILFREICHE FUNKTIONEN ................................................................................... 127 4.2.2. DIE SINUSFORMEL ............................................................................................... 128 4.3. VEKTOREN ALS FARBEN .................................................................................................. 129 4.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................ 131 4.5. UEBUNGSAUFGABEN ........................................................................................................ 131 5. EINFUEHRUNG IN LOKALE BELEUCHTUNGSMODELLE 133 5.1. MATERIALEIGENSCHAFTEN ............................................................................................... 134 5.2. ELEMENTARE LICHTQUELLENMODELLE ................................................................................ 135 5.2.1. POSITIONSLICHT .................................................................................................. 136 5.2.2. STRAHLER ........................................................................................................... 139 INHALTSVERZEICHNIS 5.2.3. AREA-LIGHTS ....................................................................................................... 141 5.2.4. FORTGESCHRITTENE POSITIONSLICHTER UND STRAHLER ............................................ 142 5.3. VEREINFACHTES TEXTURE-MAPPING ................................................................................. 142 5.4. ELEMENTARE BELEUCHTUNGSMODELLE .............................................................................. 143 5.4.1. AMBIENTES LICHT .............................................................................................. 143 5.4.2. DIFFUSES LICHT .................................................................................................... 144 5.4.3. SPIEGELNDES LICHT .............................................................................................. 147 5.4.4. EMISSIONSLICHT .................................................................................................... 152 5.5. PHONG-BELEUCHTUNGSMODELL ....................................................................................... 152 5.6. OPENGL-BELEUCHTUNGSMODELL .................................................................................... 154 5.7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 155 5.8. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 155 6. SCHATTIERUNGSMODELLE UND VISUELLE WAHRNEHMUNG 157 6.1. FLAT-SHADING ................................................................................................................ 158 6.2. GOURAUD-SHADING .......................................................................................................... 158 6.3. MACHSCHE STREIFEN ....................................................................................................... 159 6.4. KURZE GESCHICHTE DER NEURONENMODELLE .................................................................. 161 6.4.1. MCCULLOCH-PITTS-ZELLE .................................................................................... 161 6.4.2. PERZEPTRON VON ROSENBLATT ........................................................................... 162 6.4.3. RETINA MIT SECHS REZEPTOREN ........................................................................ 163 6.5. PHONG-SHADING ............................................................................................................. 164 6.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 164 6.7. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 166 7. OBJEKTE MIT TEXTUREN BEKLEIDEN 167 7.1. TEXTURE-MAPPING MIT OPENGL ................................................................................. 168 7.1.1. KORRESPONDENZFUNKTIONEN .............................................................................. 169 7.1.2. TRANSFORMATIONSRICHTUNGEN ........................................................................... 169 7.1.3. BILDPYRAMIDE MIT MIP-MAPPING ..................................................................... 171 7.2. KOMPLEXITAET DURCH SELBSTAEHNLICHKEIT ........................................................................ 172 7.2.1. DAS SIERPINSKI-DREIECK .................................................................................... 172 7.2.2. TEXTURE-BLENDING ............................................................................................. 174 7.2.3. PRIMITIVES UND KOMPLEXES TEXTURE-MAPPING ............................................... 174 7.3. PROZEDURALES TEXTURE-MAPPING ................................................................................. 178 7.3.1. KONTINUIERLICHE ZUFALLSZAHLEN ........................................................................ 179 7.3.2. PERLIN-NOISE ....................................................................................................... 179 7.3.3. EINSATZ VON PERLIN-NOISE ................................................................................. 180 7.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 180 7.5. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 181 8. BELEUCHTUNGSELEMENTE IN TEXTUREN VERSTECKEN 183 8.1. IDEE DER NORMALENVERBIEGUNG .................................................................................... 184 8.2. STRUKTUR UEBER HOEHENINFORMATIONEN ........................................................................... 184 8.2.1. DAS BUMP-MAPPING ....................................................................................... 185 8.2.2. ERWEITERUNG ZUM NORMAL-MAPPING .............................................................. 187 XIV INH AL TS VERZEICHNIS 8.2.3. BUMP-MAPPING VERSUS NORMAL-MAPPING ................................................... 187 8.3. NORMALEN AUS HOEHENKARTE ERMITTELN ....................................................................... 188 8.3.1. GRADIENTEN AUS HOEHENKARTE BESTIMMEN ....................................................... 188 8.3.2. BEISPIEL IM SHADERCODE ................................................................................ 188 8.3.3. NORMALE AUS GRADIENTEN ................................................................................ 189 8.4. TEXTUR STATT STRUKTUR .............................................................................................. 189 8.4.1. NORMALE IN TEXTUR SPEICHERN ....................................................................... 189 8.4.2. NORMALEN AUS TEXTUR LESEN .......................................................................... 190 8.5. AUTOMATISCHE GENERIERUNG EINER NORMAL-MAP ....................................................... 191 8.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................ 191 8.7. UEBUNGSAUFGABEN ........................................................................................................ 191 9. GRUNDLEGENDER UMGANG MIT MATRIZEN 193 9.1. NUETZLICHE JAVABIBLIOTHEKEN ......................................................................................... 194 9.2. MATRIXDARSTELLUNG UND EINFACHE OPERATIONEN .......................................................... 194 9.2.1. TRANSPONIERTE VEKTOREN UND MATRIZEN ....................................................... 195 9.2.2. ADDITION UND SUBTRAKTION ............................................................................. 196 9.2.3. MULTIPLIKATION MIT SKALAREN .......................................................................... 197 9.3. MULTIPLIKATION VON MATRIZEN ...................................................................................... 198 9.3.1. ZEILENWEISES MULTIPLIZIEREN ............................................................................. 198 9.3.2. SPALTENWEISES MULTIPLIZIEREN .......................................................................... 199 9.3.3. VEKTOREN-KREUZPRODUKT ALS MATRIXAUSDRUCK .............................................. 200 9.3.4. ERWEITERUNG AUF MATRIX-MATRIX-MULTIPLIKATION ........................................ 200 9.3.5. FALKSCHES SCHEMA ............................................................................................ 201 9.3.6. IDENTITAETSMATRIX ............................................................................................ 203 9.3.7. UEBERSICHT ZU GESETZMAESSIGKEITEN ................................................................... 203 9.4. LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME ......................................................................................... 204 9.4.1. ZEILENBILD, SPALTENBILD UND MATRIZENGLEICHUNG ........................................... 204 9.4.2. LOESUNG EINES LINEAREN GLEICHUNGSSYSTEMS ................................................. 205 9.4.3. ELIMINATIONSVERFAHREN - ECHTES VERSAGEN .................................................... 206 9.4.4. ELIMINATIONSVERFAHREN - VORUEBERGEHENDES VERSAGEN .................................. 206 9.4.5. RANG EINER MATRIX ......................................................................................... 206 9.5. MATRIZEN INVERTIEREN UND PSEUDOINVERSE ................................................................ 206 9.5.1. INVERSE MATRIX ............................................................................................... 207 9.5.2. REGULAERE UND SINGULAERE MATRIZEN ................................................................ 207 9.5.3. DETERMINANTE EINER 2 X 2- MATRIX ................................................................ 207 9.5.4. DETERMINANTE EINER 3 X 3-MATRIX ................................................................ 208 9.5.5. GEOMETRISCHE BEDEUTUNG DER DETERMINANTE .............................................. 209 9.5.6. MATRIZEN DIREKT INVERTIEREN ......................................................................... 209 9.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................... 210 9.7. UEBUNGSAUFGABEN ........................................................................................................ 210 10. TRANSFORMATIONEN ALS VOLLZEITJOB 211 10.1. TRANSFORMATIONEN IN 2D UND 3D .......................................................................... 212 10.1.1. KOORDINATENTRANSFORMATIONEN IM 3D-RAUM .............................................. 212 10.1.2. VEKTOR VON RAUM A NACH B ......................................................................... 212 XV INHALTSVERZEICHNIS 10.1.3. VEKTOR VON RAUM B NACH A ............................................................................... 213 10.1.4. ROTATIONSBEISPIEL IM 2D-RAUM .................................................................... 214 10.1.5. TRANSFORMATION FUER ROTATION IM 2D-RAUM .................................................. 218 10.2. HOMOGENE KOORDINATEN ............................................................................................. 219 10.2.1. HOMOGENE KOORDINATEN IN 2D ........................................................................ 219 10.2.2. HOMOGENE KOORDINATEN IN 3D ........................................................................ 220 10.2.3. TRANSLATION IM 3D-RAUM .............................................................................. 220 10.2.4. SKALIERUNG IM 3D-RAUM ................................................................................. 221 10.2.5. ROTATION IM 3D-RAUM .................................................................................... 221 10.2.6. TRANSFORMATIONEN KOMBINIEREN .................................................................... 222 10.3. ROTATION MIT EULER-WINKEL ....................................................................................... 226 10.4. ROTATIONEN MIT QUATERNIONEN .................................................................................... 227 10.4.1. VON REELLEN ZU KOMPLEXEN ZAHLEN ................................................................. 227 10.4.2. ADDITION UND MULTIPLIKATION KOMPLEXER ZAHLEN ........................................ 228 10.4.3. KOMPLEXE ZAHLEN IN MATRIXFORM ................................................................. 230 10.4.4. VON KOMPLEXEN ZAHLEN ZU QUATERNIONEN ..................................................... 231 10.4.5. ADDITION, SUBTRAKTION UND MULTIPLIKATION VON QUATERNIONEN .................... 232 10.4.6. KONJUGIERTE, LAENGE UND INVERSE EINER QUATERNION ..................................... 233 10.4.7. UEBERSICHT ZU GESETZMAESSIGKEITEN .................................................................... 234 10.4.8. ROTATION UM EINE ACHSE ................................................................................. 234 10.4.9. ROTATION IN MATRIXFORM ................................................................................. 238 10.4.10 . ZWISCHEN ROTATIONEN INTERPOLIEREN .............................................................. 239 10.4.11 ROTATION UM MEHRERE ACHSEN ........................................................................ 243 10.4.12 KEYFRAME-ANIMATION ....................................................................................... 243 10.5. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 244 10.6. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 244 11. DIE KOORDINATENSYSTEME DER RENDERPIPELINE 245 11.1. VON DER OBJEKTFABRIK ZUR BILDSCHIRMAUSGABE ........................................................ 246 11.1.1. WORLD-SPACE UND VIEW-SPACE ........................................................................ 247 11.1.2. VIEW-SPACE UND CLIP-SPACE ........................................................................... 247 11.1.3. KOMBINATION ZUR MVP-MATRIX .................................................................... 249 11.2. DER TANGENTIALRAUM ALS NEUES BEZUGSSYSTEM ........................................................... 250 11.2.1. DIE TRANSFORMATIONSRICHTUNG ENTSCHEIDEN .................................................. 250 11.2.2. HERLEITUNG DES TANGENTIALRAUMS .................................................................... 251 11.2.3. TRANSFORMATION VOM TANGENTIALRAUM IN DEN OBJEKT RAUM ........................ 252 11.2.4. ORTHOGONALISIERUNG NACH GRAM-SCHMIDT ..................................................... 255 11.2.5. TRANSFORMATION VOM OBJEKTRAUM IN DEN TANGENTIALRAUM ......................... 259 11.3. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 260 11.4. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 260 12. DIE SUCHE NACH DEM HEILIGEN GRAL 261 12.1. INTERAKTIONEN VON LICHT UND OBERFLAECHEN ............................................................... 262 12.1.1. REFLEXION, TRANSMISSION UND ABSORPTION ..................................................... 262 12.1.2. REFLEXIONSANTEIL IST VON INTERESSE ................................................................. 263 XVI INHAL TS VERZEI CHNIS 12.2. DIE SUCHE NACH DER ALLGEMEINEN REFLEXIONSFUNKTION ........................................... 263 12.2.1. GRUNDSAETZLICHE FORM DER FUNKTION .......................................................... 264 12.2.2. EINFLUSS VON LICHT- UND BLICKRICHTUNG .................................................... 265 12.2.3. EINFLUSS UNTERSCHIEDLICHER WELLENLAENGEN ................................................. 265 12.2.4. EINFLUSS DER POSITION ................................................................................... 266 12.3. INTERPRETATION VON LICHT ............................................................................................ 266 12.3.1. WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS ......................................................................... 266 12.3.2. STRAHLENOPTIK ............................................................................................... 267 12.3.3. KURZE BEGRIFFSEINFUEHRUNG IN DIE RADIOMETRIE ........................................... 268 12.4. ENERGIEMENGE STATT RICHTUNG ................................................................................... 268 12.4.1. DAS KARTESISCHE KOORDINATENSYSTEM .......................................................... 269 12.4.2. DAS POLARKOORDINATENSYSTEM ................................................................... 270 12.4.3. TRANSFORMATION IN POLARKOORDINATEN ....................................................... 271 12.4.4. TRANSFORMATION IN KARTESISCHE KOORDINATEN ........................................... 274 12.4.5. VEREINFACHUNG MIT EINHEITSKUGEL ............................................................. 275 12.4.6. ALTERNATIVE SCHREIBWEISE FUER DIE REFLEXIONSFUNKTION ............................... 275 12.5. BERECHNUNG DES LICHTEINFALLS ...................................................................................... 276 12.5.1. DER RAUMWINKEL ......................................................................................... 276 12.5.2. EINFALLENDE UND AUSGEHENDE STRAHLUNGSINTENSITAETEN ............................... 277 12.5.3. DIE RENDERGLEICHUNG .................................................................................. 277 12.6. BI-DIRECTIONAL REFLECTANCE DISTRIBUTION FUNCTION .............................................. 278 12.6.1. ISOTROPISCHE UND ANISOTROPISCHE BRDF .................................................... 279 12.6.2. EIGENSCHAFTEN EINER PHYSIKALISCHEN BRDF .............................................. 280 12.6.3. KONTINUIERLICHE VERSUS DISKRETE RENDERGLEICHUNG ..................................... 281 12.6.4. BRDF IN ECHT ZEIT-ANWENDUNGEN ............................................................. 282 12.6.5. EINE BRDF MASCHINELL MESSEN ................................................................ 283 12.7. SYNTHETISCHE BRDF-MODELLE ................................................................................... 283 12.7.1. BRDF EINES PERFEKTEN SPIEGELS ................................................................ 284 12.7.2. PHONG-BELEUCHTUNGSMODELL ALS BRDF .................................................... 284 12.7.3. BRDF FUER MIKROFACETTEN-MODELLE ............................................................. 285 12.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................ 289 12.9. UEBUNGSAUFGABEN ..................................................................................................... 289 13. DISPLACEMENT-MAPPING 291 13.1. KRITIK AM NORMAL-MAPPING .................................................................................. 291 13.1.1. EINFUEHRUNG IN DIE NOTATION ...................................................................... 292 13.1.2. DIE HOEHENKARTE ............................................................................................ 293 13.2. PARTIELLE ABLEITUNGEN ............................................................................................... 295 13.2.1. FUNKTIONEN MIT EINER VERAENDERLICHEN ....................................................... 295 13.2.2. UEBERSICHT ZU ELEMENTAREN ABLEITUNGSREGELN ........................................... 295 13.2.3. ERSTE UND HOEHERE ABLEITUNGEN ................................................................... 296 13.2.4. FUNKTIONEN MIT MEHREREN VERAENDERLICHEN .............................................. 296 13.2.5. PARTIELLE ABLEITUNGEN VON VEKTOREN .......................................................... 297 13.3. BELEUCHTUNG UND MESOSTRUKTUR ............................................................................ 298 13.3.1. ABLEITUNG DER TANGENTEN ....................................................................... 299 XVII INHALTSVERZEI CHNIS 13.3.2. IMPLEMENTIERUNG IM FRAGMENTSHADER ......................................................... 299 13.4. SHADERSTRATEGIEN DES DISPLACEMENT-MAPPING ........................................................... 300 13.4.1. PER-VERTEX-DISPLACEMENT-MAPPING .............................................................. 300 13.4.2. PER-PIXEL-DISPLACEMENT-MAPPING ................................................................. 301 13.5. NICHT-ITERATIVE PER-PIXEL-VERFAHREN ........................................................................... 304 13.5.1. BUMP-MAPPING ................................................................................................ 304 13.5.2. PARALLAX-MAPPING .......................................................................................... 305 13.5.3. PARALLAX-MAPPING MIT OFFSETBEGRENZUNG ..................................................... 307 13.5.4. PARALLAX-MAPPING MIT NORMALENNEIGUNG ..................................................... 308 13.6. ITERATIVE PER-PIXEL-VERFAHREN .................................................................................... 309 13.7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 309 13.8. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 310 14. EINFUEHRUNG IN ECHTZEITSCHATTEN 311 14.1. RELEVANZ DER SCHATTEN ................................................................................................ 312 14.2. TERMINOLOGIE ................................................................................................................ 312 14.2.1. MENGE VERDECKTER LICHTSTRAHLEN .................................................................... 314 14.2.2. KERN- UND HALBSCHATTEN ................................................................................. 314 14.3. KLASSIFIZIERUNG VON ECHTZEITSCHATTEN ........................................................................ 315 14.3.1. HARD-SHADOWS ................................................................................................ 315 14.3.2. SOFT-SHADOWS ................................................................................................... 315 14.3.3. FILTERED-HARD-SHADOWS .................................................................................... 316 14.3.4. KOMPLEXITAET VERSUS REALISMUS ........................................................................ 316 14.4. HARD-SHADOWS DURCH SHADOW-VOLUMES .................................................................... 316 14.4.1. PARITAETSTEST - BINAERE VARIANTE ........................................................................ 318 14.4.2. PARITAETSTEST - ZAEHLENDE VARIANTE ................................................................. 318 14.4.3. BEWERTUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 319 14.5. HARD-SHADOW * S MIT SHADOW-MAPPING ........................................................................ 319 14.5.1. SHADOW-MAPPING-VERFAHREN ........................................................................... 319 14.5.2. DER EFFEKT SURFACE-ACNE ................................................................................. 320 14.5.3. DER EFFEKT DER AUSGEFRANSTEN SCHATTEN ........................................................ 321 14.5.4. BEWERTUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 321 14.6. REALISIERUNG VON SOFT-SHADOWS ................................................................................. 322 14.6.1. LICHTQUELLEN UND HERAUSFORDERUNGEN ........................................................... 322 14.6.2. EINSATZ MEHRERER LICHTQUELLEN ........................................................................ 322 14.6.3. BILD-BASIERTER ANSATZ MIT MULTIPOSITIONSLICHTERN ..................................... 324 14.6.4. MEHRERE VERDECKENDE OBJEKTE ........................................................................ 324 14.6.5. SINGLE-SAMPLE-SOFT-SHADOWS UND SMOOTHIES ............................................... 325 14.7. POTENTIAL VON AMBIENT-LIGHT .................................................................................... 326 14.7.1. AMBIENT-OCCLUSION .......................................................................................... 326 14.7.2. SCREEN-SPACE-AMBIENT-OCCLUSION ................................................................. 327 14.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ................................................................................. 328 14.9. UEBUNGSAUFGABEN .......................................................................................................... 328 XVIII INH AL TSVERZEI CHNIS 15. COMPUTERGRAFIK, ABER INVERTIERT! 331 15.1. COMPUTERGRAFIK VERSUS COMPUTER-VISION ................................................................ 332 15.1.1. EINSTIEG IN DIE COMPUTER-VISION MIT OPENCV ........................................... 332 15.1.2. KAMERAVERZEICHNUNG MIT OPENCV KORRIGIEREN ........................................... 333 15.2. 3D-STRUKTUREN AUS BILDSERIEN ABLEITEN ................................................................... 336 15.2.1. IDEE VON STRUCTURE-FROM-MOTION ................................................................... 336 15.2.2. MARKANTE MERKMALE IN BILDERN FINDEN ....................................................... 336 15.2.3. MODELLE AUS PUNKTMENGEN ABLEITEN ............................................................. 339 15.2.4. PANORAMABILDERSTELLUNG MIT RANSAC ....................................................... 342 15.2.5. EPIPOLARGEOMETRIE ......................................................................................... 345 15.2.6. STRUCTURE-FROM-MOTION-PROZESS IM UEBERBLICK ........................................... 349 15.3. 3D-REKONSTRUKTIONSPROZESS AM KONKRETEN BEISPIEL ................................................. 351 15.3.1. OPEN-SOURCE UND PROPRIETAERE SOFTWAREPAKETE ........................................... 352 15.3.2. AUFNAHMESTRATEGIE DER FOTOS ..................................................................... 352 15.3.3. 3D-REKONSTRUKTION MIT VISUALSFM ............................................................ 353 15.3.4. 3D-REKONSTRUKTION MIT COLMAP .................................................................. 355 15.3.5. 3D-REKONSTRUKTION MIT ALICEVISION MESHROOM ....................................... 356 15.3.6. 3D-REKONSTRUKTION MIT AGISOFT METASHAPE ................................................ 356 15.3.7. 3D-REKONSTRUKTION MIT REALITYCAPTURE ................................................... 358 15.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................... 359 15.5. UEBUNGSAUFGABEN ........................................................................................................ 359 A. LOESUNGEN AUSGEWAEHLTER AUFGABEN 361 B. SAMMLUNG VISUELLER EXPERIMENTE 377 LITERATURVERZEICHNIS 379 STICHWORTVERZEICHNIS 388 XIX
adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS 1. EINFUEHRUNG IN OPENGL UND LWJGL 1 1.1. EINFUEHRUNG IN OPENGL . 2 1.1.1. LEISTUNGSFAEHIGKEIT DES RECHNERS . 3 1.1.2. OPENGL ALS ZUSTANDSAUTOMAT . 3 1.1.3. OBJEKTREPRAESENTATIONEN . 4 1.1.4. DREIECKE UNTER DER LUPE . 5 1.1.5. VEREINFACHTE RENDERPIPELINE . 7 1.2. EINFUEHRUNG IN LWJGL . 8 1.2.1. VORBEREITUNG VON ECLIPSE UND LWJGL . 8 1.2.2. DIE KLASSE LWJGLBASISFENSTER . 9 1.3. BEISPIELSAMMLUNG ZU OPENGL UND LWJGL . 11 1.3.1. BEWEGTES DREIECK . 11 1.3.2. AWT/SWING UND LWJGL ZUSAMMENBRINGEN . 13 1.3.3. ABFOLGEN VON TRANSFORMATIONSKETTEN . 15 1.3.4. DREHENDER WUERFEL . 15 1.3.5. WUERFELPROJEKTION AUF EINE FLAECHE . 17 1.3.6. WEHENDE FLAECHE . 18 1.4. OBJEKTE ERSTELLEN, SPEICHERN UND LADEN . 19 1.4.1. DAS WAVEFRONT OB J-FORMAT . 20 1.4.2. OBJEKTE LADEN UND VISUALISIEREN . 22 1.5. BESCHLEUNIGUNG UND LANGLEBIGKEIT DURCH BUFFER-OBJECTS . 22 1.5.1. BEWEGTES DREIECK MIT BUFFER-OBJECTS . 23 1.5.2. DREHENDER WUERFEL IN FARBE MIT BUFFER-OBJECTS . 25 1.6. EINE KLEINE SPIELUMGEBUNG SCHAFFEN . 29 1.6.1. DER PERFEKTE FLUMMI IN MINIMALLOESUNG . 29 1.6.2. EBENEN VON STATISCHEN UND DYNAMISCHEN OBJEKTEN . 30 1.6.3. VIELE OBJEKTE VERWALTEN . 33 1.6.4. STRATEGISCH MIT VERHALTEN UMGEHEN . 35 1.7. KOLLEKTIVE INTELLIGENZ UND SCHWARMVERHALTEN . 38 1.7.1. STEUERUNGSVERHALTEN STATT INDIVIDUELLER WEGEPLANUNG . 38 1.7.2. BESCHLEUNIGUNG INS SPIEL BRINGEN . 39 1.7.3. KRAEFTE AUS DER PHYSIK UEBERNEHMEN . 43 1.7.4. STEUERUNGSKRAEFTE ZIEL FOLGEN, ZIEL ERREICHEN ODER FLIEHEN . 45 1.7.5. DIE DREI KRAEFTE DER FLOCKING-BOIDS . 46 1.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 50 1.9. UEBUNGSAUFGABEN . 50 INHALTSVERZEICHNIS 2. EIGENE SHADER IN GLSL ENTWICKELN 53 2.1. KONVOLUTION UND BLUR-EFFEKT IN JAVA . 54 2.1.1. GLAETTUNG DURCH KONVOLUTION . 54 2.1.2. DAEMPFUNG DURCH MAUS-INTERAKTION . 55 2.1.3. PSEUDOCODE FUER GEDAEMPFTEN MITTELWERTFILTER . 56 2.1.4. PROGRAMMCODE DER ERSTEN PROJEKTSTUFE . 56 2.2. EINFUEHRUNG IN VERTEX- UND FRAGMENT-SHADER . 57 2.2.1. VEKTOREN UND MATRIZEN IN GLSL . 58 2.2.2. MODULARISIERUNG DES PROGRAMMCODES . 59 2.2.3. SHADERCODE MIT LWJGL . 60 2.2.4. GELBES QUAD ROTIEREN LASSEN . 61 2.2.5. FARBE AUS TIEFENINFORMATIONEN ERZEUGEN . 64 2.3. BLUR-EFFEKT MIT SHADER . 65 2.3.1. STRUKTUR FUER BLUR-EFFEKT-SHADER . 65 2.3.2. GAUSSVERTEILUNG STATT VIERECK . 67 2.3.3. SHADERCODE FUER VISUALISIERUNG . 68 2.4. REALISIERUNG EINER EINFACHEN WASSERDYNAMIK . 69 2.4.1. VEREINFACHTE SCHWINGUNGSDYNAMIK . 69 2.4.2. SCHWINGUNGSDYNAMIK IN JAVA . 70 2.4.3. SCHWINGUNGSDYNAMIK MIT EINEM FRAGMENT-SHADER . 71 2.5. REFRAKTION UND SCHATTEN . 73 2.5.1. REFRAKTIONSVEKTOR BESTIMMEN . 73 2.5.2. SHADERSTRUKTUR FUER REFRAKTION . 76 2.5.3. EINFACHER SCHATTENEFFEKT DURCH GRADIENTEN . 77 2.6. REFLEXION UND KAUSTIK . 79 2.6.1. UMSETZUNGSIDEE ZUM REFLEXIONSEFFEKT . 79 2.6.2. REFLEXIONSVEKTOR BERECHNEN . 79 2.6.3. SHADERCODE ZUR REFLEXION . 80 2.6.4. UMSETZUNGSIDEE ZUM KAUSTIKEFFEKT . 81 2.6.5. SHADERCODE ZUR KAUSTIK . 82 2.7. KOMBINATION ZU EXPERIMENTELLER WASSERSIMULATION . 83 2.7.1. KONTINUIERLICHES WOLKENBILD . 83 2.7.2. SHADERCODE FUER EFFEKTKOMBINATION . 83 2.8. WASSERDYNAMIK IM VERTEX-SHADER . 84 2.8.1. VERKNUEPFUNG VON GEOMETRIE UND TEXTUR . 84 2.8.2. WELLENDYNAMIK UND GEOMETRIE VERBINDEN . 85 2.8.3. VISUALISIERUNG DER GEOMETRIE UND SHADERKOMPOSITION . 86 2.9. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 86 2.10. UEBUNGSAUFGABEN . 87 3. GRUNDLAGEN DES BELEUCHTUNGSDESIGNS 89 3.1. WAHRNEHMUNG VON SICHTBAREM LICHT . 90 3.1.1. ENTSTEHUNG EINES BILDES IM AUGE . 90 3.1.2. ENTSTEHUNG EINES BILDES IN DER KAMERA . 92 3.1.3. BEDEUTUNG DER FARBEN . 92 XII INHALTSVERZEICHNIS XIII 3.1.4. FARBSCHWAECHEN UND -BLINDHEIT . 93 3.2. MOTIVIERTER LICHTEINSATZ . 95 3.3. LICHT TRANSPORTIERT KONTEXT . 95 3.4. LICHTDESIGNER DUERFEN TRICKSEN . 95 3.5. ZIELE DES BELEUCHTUNGSDESIGNS . 95 3.5.1. DINGE GLAUBHAFT MACHEN . 96 3.5.2. DINGE LESBAR ODER ERKENNBAR MACHEN . 97 3.5.3. SZENEN DURCH SCHATTEN UND WEITERE EFFEKTE BEREICHERN . 97 3.5.4. ERHALTUNG DER KONTINUITAET . 93 3.5.5. FOKUS DES BETRACHTERS LENKEN . 101 3.5.6. MATERIALEIGENSCHAFTEN VERSTAERKEN . 102 3.5.7. EMOTIONALITAET UND KONTEXT TRANSPORTIEREN . 102 3.6. BELEUCHTUNGSKONZEPT THREE-POINT-LIGHTING . 102 3.6.1. EINFLUSS DES KEY-LIGHTS . 103 3.6.2. EINFLUSS DES FILL-LIGHTS . 103 3.6.3. AUFGABE DES BACK-LIGHTS . 103 3.6.4. KOMBINATION VON KEY-, FILL- UND BACK-LIGHT . 105 3.7. BELEUCHTUNGSKONZEPT FOUR-POINT-LIGHTING . 105 3.8. KOMPOSITION EINER SZENE . 106 3.8.1. DER GOLDENE SCHNITT . 106 3.8.2. KOERPERHALTUNG BERUECKSICHTIGEN . 107 3.8.3. BALANCE ZWISCHEN VORDER- UND HINTERGRUND . 107 3.8.4. GEZIELTE UEBERDECKUNGEN . 109 3.9. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 109 3.10. UEBUNGSAUFGABEN . HO 4. VEKTOREN ALS POSITIONEN, RICHTUNGEN UND FARBEN 111 4.1. VEKTOREN ALS RICHTUNGEN . 112 4.1.1. IMPLEMENTIERUNG VON VEKTOR3D . 114 4.1.2. VEKTORRICHTUNG ZUM ODER VOM LICHT . 116 4.1.3. SKALARE UND VEKTOREN . 118 4.1.4. VEKTORLAENGE, NORMIERUNG UND INNERES PRODUKT . 118 4.1.5. DIE KOSINUSFORMEL . 121 4.1.6. DAS KREUZPRODUKT . 126 4.2. VEKTOREN ALS POSITIONEN . 127 4.2.1. HILFREICHE FUNKTIONEN . 127 4.2.2. DIE SINUSFORMEL . 128 4.3. VEKTOREN ALS FARBEN . 129 4.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 131 4.5. UEBUNGSAUFGABEN . 131 5. EINFUEHRUNG IN LOKALE BELEUCHTUNGSMODELLE 133 5.1. MATERIALEIGENSCHAFTEN . 134 5.2. ELEMENTARE LICHTQUELLENMODELLE . 135 5.2.1. POSITIONSLICHT . 136 5.2.2. STRAHLER . 139 INHALTSVERZEICHNIS 5.2.3. AREA-LIGHTS . 141 5.2.4. FORTGESCHRITTENE POSITIONSLICHTER UND STRAHLER . 142 5.3. VEREINFACHTES TEXTURE-MAPPING . 142 5.4. ELEMENTARE BELEUCHTUNGSMODELLE . 143 5.4.1. AMBIENTES LICHT . 143 5.4.2. DIFFUSES LICHT . 144 5.4.3. SPIEGELNDES LICHT . 147 5.4.4. EMISSIONSLICHT . 152 5.5. PHONG-BELEUCHTUNGSMODELL . 152 5.6. OPENGL-BELEUCHTUNGSMODELL . 154 5.7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 155 5.8. UEBUNGSAUFGABEN . 155 6. SCHATTIERUNGSMODELLE UND VISUELLE WAHRNEHMUNG 157 6.1. FLAT-SHADING . 158 6.2. GOURAUD-SHADING . 158 6.3. MACHSCHE STREIFEN . 159 6.4. KURZE GESCHICHTE DER NEURONENMODELLE . 161 6.4.1. MCCULLOCH-PITTS-ZELLE . 161 6.4.2. PERZEPTRON VON ROSENBLATT . 162 6.4.3. RETINA MIT SECHS REZEPTOREN . 163 6.5. PHONG-SHADING . 164 6.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 164 6.7. UEBUNGSAUFGABEN . 166 7. OBJEKTE MIT TEXTUREN BEKLEIDEN 167 7.1. TEXTURE-MAPPING MIT OPENGL . 168 7.1.1. KORRESPONDENZFUNKTIONEN . 169 7.1.2. TRANSFORMATIONSRICHTUNGEN . 169 7.1.3. BILDPYRAMIDE MIT MIP-MAPPING . 171 7.2. KOMPLEXITAET DURCH SELBSTAEHNLICHKEIT . 172 7.2.1. DAS SIERPINSKI-DREIECK . 172 7.2.2. TEXTURE-BLENDING . 174 7.2.3. PRIMITIVES UND KOMPLEXES TEXTURE-MAPPING . 174 7.3. PROZEDURALES TEXTURE-MAPPING . 178 7.3.1. KONTINUIERLICHE ZUFALLSZAHLEN . 179 7.3.2. PERLIN-NOISE . 179 7.3.3. EINSATZ VON PERLIN-NOISE . 180 7.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 180 7.5. UEBUNGSAUFGABEN . 181 8. BELEUCHTUNGSELEMENTE IN TEXTUREN VERSTECKEN 183 8.1. IDEE DER NORMALENVERBIEGUNG . 184 8.2. STRUKTUR UEBER HOEHENINFORMATIONEN . 184 8.2.1. DAS BUMP-MAPPING . 185 8.2.2. ERWEITERUNG ZUM NORMAL-MAPPING . 187 XIV INH AL TS VERZEICHNIS 8.2.3. BUMP-MAPPING VERSUS NORMAL-MAPPING . 187 8.3. NORMALEN AUS HOEHENKARTE ERMITTELN . 188 8.3.1. GRADIENTEN AUS HOEHENKARTE BESTIMMEN . 188 8.3.2. BEISPIEL IM SHADERCODE . 188 8.3.3. NORMALE AUS GRADIENTEN . 189 8.4. TEXTUR STATT STRUKTUR . 189 8.4.1. NORMALE IN TEXTUR SPEICHERN . 189 8.4.2. NORMALEN AUS TEXTUR LESEN . 190 8.5. AUTOMATISCHE GENERIERUNG EINER NORMAL-MAP . 191 8.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 191 8.7. UEBUNGSAUFGABEN . 191 9. GRUNDLEGENDER UMGANG MIT MATRIZEN 193 9.1. NUETZLICHE JAVABIBLIOTHEKEN . 194 9.2. MATRIXDARSTELLUNG UND EINFACHE OPERATIONEN . 194 9.2.1. TRANSPONIERTE VEKTOREN UND MATRIZEN . 195 9.2.2. ADDITION UND SUBTRAKTION . 196 9.2.3. MULTIPLIKATION MIT SKALAREN . 197 9.3. MULTIPLIKATION VON MATRIZEN . 198 9.3.1. ZEILENWEISES MULTIPLIZIEREN . 198 9.3.2. SPALTENWEISES MULTIPLIZIEREN . 199 9.3.3. VEKTOREN-KREUZPRODUKT ALS MATRIXAUSDRUCK . 200 9.3.4. ERWEITERUNG AUF MATRIX-MATRIX-MULTIPLIKATION . 200 9.3.5. FALKSCHES SCHEMA . 201 9.3.6. IDENTITAETSMATRIX . 203 9.3.7. UEBERSICHT ZU GESETZMAESSIGKEITEN . 203 9.4. LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME . 204 9.4.1. ZEILENBILD, SPALTENBILD UND MATRIZENGLEICHUNG . 204 9.4.2. LOESUNG EINES LINEAREN GLEICHUNGSSYSTEMS . 205 9.4.3. ELIMINATIONSVERFAHREN - ECHTES VERSAGEN . 206 9.4.4. ELIMINATIONSVERFAHREN - VORUEBERGEHENDES VERSAGEN . 206 9.4.5. RANG EINER MATRIX . 206 9.5. MATRIZEN INVERTIEREN UND PSEUDOINVERSE . 206 9.5.1. INVERSE MATRIX . 207 9.5.2. REGULAERE UND SINGULAERE MATRIZEN . 207 9.5.3. DETERMINANTE EINER 2 X 2- MATRIX . 207 9.5.4. DETERMINANTE EINER 3 X 3-MATRIX . 208 9.5.5. GEOMETRISCHE BEDEUTUNG DER DETERMINANTE . 209 9.5.6. MATRIZEN DIREKT INVERTIEREN . 209 9.6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 210 9.7. UEBUNGSAUFGABEN . 210 10. TRANSFORMATIONEN ALS VOLLZEITJOB 211 10.1. TRANSFORMATIONEN IN 2D UND 3D . 212 10.1.1. KOORDINATENTRANSFORMATIONEN IM 3D-RAUM . 212 10.1.2. VEKTOR VON RAUM A NACH B . 212 XV INHALTSVERZEICHNIS 10.1.3. VEKTOR VON RAUM B NACH A . 213 10.1.4. ROTATIONSBEISPIEL IM 2D-RAUM . 214 10.1.5. TRANSFORMATION FUER ROTATION IM 2D-RAUM . 218 10.2. HOMOGENE KOORDINATEN . 219 10.2.1. HOMOGENE KOORDINATEN IN 2D . 219 10.2.2. HOMOGENE KOORDINATEN IN 3D . 220 10.2.3. TRANSLATION IM 3D-RAUM . 220 10.2.4. SKALIERUNG IM 3D-RAUM . 221 10.2.5. ROTATION IM 3D-RAUM . 221 10.2.6. TRANSFORMATIONEN KOMBINIEREN . 222 10.3. ROTATION MIT EULER-WINKEL . 226 10.4. ROTATIONEN MIT QUATERNIONEN . 227 10.4.1. VON REELLEN ZU KOMPLEXEN ZAHLEN . 227 10.4.2. ADDITION UND MULTIPLIKATION KOMPLEXER ZAHLEN . 228 10.4.3. KOMPLEXE ZAHLEN IN MATRIXFORM . 230 10.4.4. VON KOMPLEXEN ZAHLEN ZU QUATERNIONEN . 231 10.4.5. ADDITION, SUBTRAKTION UND MULTIPLIKATION VON QUATERNIONEN . 232 10.4.6. KONJUGIERTE, LAENGE UND INVERSE EINER QUATERNION . 233 10.4.7. UEBERSICHT ZU GESETZMAESSIGKEITEN . 234 10.4.8. ROTATION UM EINE ACHSE . 234 10.4.9. ROTATION IN MATRIXFORM . 238 10.4.10 . ZWISCHEN ROTATIONEN INTERPOLIEREN . 239 10.4.11 ROTATION UM MEHRERE ACHSEN . 243 10.4.12 KEYFRAME-ANIMATION . 243 10.5. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 244 10.6. UEBUNGSAUFGABEN . 244 11. DIE KOORDINATENSYSTEME DER RENDERPIPELINE 245 11.1. VON DER OBJEKTFABRIK ZUR BILDSCHIRMAUSGABE . 246 11.1.1. WORLD-SPACE UND VIEW-SPACE . 247 11.1.2. VIEW-SPACE UND CLIP-SPACE . 247 11.1.3. KOMBINATION ZUR MVP-MATRIX . 249 11.2. DER TANGENTIALRAUM ALS NEUES BEZUGSSYSTEM . 250 11.2.1. DIE TRANSFORMATIONSRICHTUNG ENTSCHEIDEN . 250 11.2.2. HERLEITUNG DES TANGENTIALRAUMS . 251 11.2.3. TRANSFORMATION VOM TANGENTIALRAUM IN DEN OBJEKT RAUM . 252 11.2.4. ORTHOGONALISIERUNG NACH GRAM-SCHMIDT . 255 11.2.5. TRANSFORMATION VOM OBJEKTRAUM IN DEN TANGENTIALRAUM . 259 11.3. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 260 11.4. UEBUNGSAUFGABEN . 260 12. DIE SUCHE NACH DEM HEILIGEN GRAL 261 12.1. INTERAKTIONEN VON LICHT UND OBERFLAECHEN . 262 12.1.1. REFLEXION, TRANSMISSION UND ABSORPTION . 262 12.1.2. REFLEXIONSANTEIL IST VON INTERESSE . 263 XVI INHAL TS VERZEI CHNIS 12.2. DIE SUCHE NACH DER ALLGEMEINEN REFLEXIONSFUNKTION . 263 12.2.1. GRUNDSAETZLICHE FORM DER FUNKTION . 264 12.2.2. EINFLUSS VON LICHT- UND BLICKRICHTUNG . 265 12.2.3. EINFLUSS UNTERSCHIEDLICHER WELLENLAENGEN . 265 12.2.4. EINFLUSS DER POSITION . 266 12.3. INTERPRETATION VON LICHT . 266 12.3.1. WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS . 266 12.3.2. STRAHLENOPTIK . 267 12.3.3. KURZE BEGRIFFSEINFUEHRUNG IN DIE RADIOMETRIE . 268 12.4. ENERGIEMENGE STATT RICHTUNG . 268 12.4.1. DAS KARTESISCHE KOORDINATENSYSTEM . 269 12.4.2. DAS POLARKOORDINATENSYSTEM . 270 12.4.3. TRANSFORMATION IN POLARKOORDINATEN . 271 12.4.4. TRANSFORMATION IN KARTESISCHE KOORDINATEN . 274 12.4.5. VEREINFACHUNG MIT EINHEITSKUGEL . 275 12.4.6. ALTERNATIVE SCHREIBWEISE FUER DIE REFLEXIONSFUNKTION . 275 12.5. BERECHNUNG DES LICHTEINFALLS . 276 12.5.1. DER RAUMWINKEL . 276 12.5.2. EINFALLENDE UND AUSGEHENDE STRAHLUNGSINTENSITAETEN . 277 12.5.3. DIE RENDERGLEICHUNG . 277 12.6. BI-DIRECTIONAL REFLECTANCE DISTRIBUTION FUNCTION . 278 12.6.1. ISOTROPISCHE UND ANISOTROPISCHE BRDF . 279 12.6.2. EIGENSCHAFTEN EINER PHYSIKALISCHEN BRDF . 280 12.6.3. KONTINUIERLICHE VERSUS DISKRETE RENDERGLEICHUNG . 281 12.6.4. BRDF IN ECHT ZEIT-ANWENDUNGEN . 282 12.6.5. EINE BRDF MASCHINELL MESSEN . 283 12.7. SYNTHETISCHE BRDF-MODELLE . 283 12.7.1. BRDF EINES PERFEKTEN SPIEGELS . 284 12.7.2. PHONG-BELEUCHTUNGSMODELL ALS BRDF . 284 12.7.3. BRDF FUER MIKROFACETTEN-MODELLE . 285 12.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 289 12.9. UEBUNGSAUFGABEN . 289 13. DISPLACEMENT-MAPPING 291 13.1. KRITIK AM NORMAL-MAPPING . 291 13.1.1. EINFUEHRUNG IN DIE NOTATION . 292 13.1.2. DIE HOEHENKARTE . 293 13.2. PARTIELLE ABLEITUNGEN . 295 13.2.1. FUNKTIONEN MIT EINER VERAENDERLICHEN . 295 13.2.2. UEBERSICHT ZU ELEMENTAREN ABLEITUNGSREGELN . 295 13.2.3. ERSTE UND HOEHERE ABLEITUNGEN . 296 13.2.4. FUNKTIONEN MIT MEHREREN VERAENDERLICHEN . 296 13.2.5. PARTIELLE ABLEITUNGEN VON VEKTOREN . 297 13.3. BELEUCHTUNG UND MESOSTRUKTUR . 298 13.3.1. ABLEITUNG DER TANGENTEN . 299 XVII INHALTSVERZEI CHNIS 13.3.2. IMPLEMENTIERUNG IM FRAGMENTSHADER . 299 13.4. SHADERSTRATEGIEN DES DISPLACEMENT-MAPPING . 300 13.4.1. PER-VERTEX-DISPLACEMENT-MAPPING . 300 13.4.2. PER-PIXEL-DISPLACEMENT-MAPPING . 301 13.5. NICHT-ITERATIVE PER-PIXEL-VERFAHREN . 304 13.5.1. BUMP-MAPPING . 304 13.5.2. PARALLAX-MAPPING . 305 13.5.3. PARALLAX-MAPPING MIT OFFSETBEGRENZUNG . 307 13.5.4. PARALLAX-MAPPING MIT NORMALENNEIGUNG . 308 13.6. ITERATIVE PER-PIXEL-VERFAHREN . 309 13.7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 309 13.8. UEBUNGSAUFGABEN . 310 14. EINFUEHRUNG IN ECHTZEITSCHATTEN 311 14.1. RELEVANZ DER SCHATTEN . 312 14.2. TERMINOLOGIE . 312 14.2.1. MENGE VERDECKTER LICHTSTRAHLEN . 314 14.2.2. KERN- UND HALBSCHATTEN . 314 14.3. KLASSIFIZIERUNG VON ECHTZEITSCHATTEN . 315 14.3.1. HARD-SHADOWS . 315 14.3.2. SOFT-SHADOWS . 315 14.3.3. FILTERED-HARD-SHADOWS . 316 14.3.4. KOMPLEXITAET VERSUS REALISMUS . 316 14.4. HARD-SHADOWS DURCH SHADOW-VOLUMES . 316 14.4.1. PARITAETSTEST - BINAERE VARIANTE . 318 14.4.2. PARITAETSTEST - ZAEHLENDE VARIANTE . 318 14.4.3. BEWERTUNG UND AUSBLICK . 319 14.5. HARD-SHADOW * S MIT SHADOW-MAPPING . 319 14.5.1. SHADOW-MAPPING-VERFAHREN . 319 14.5.2. DER EFFEKT SURFACE-ACNE . 320 14.5.3. DER EFFEKT DER AUSGEFRANSTEN SCHATTEN . 321 14.5.4. BEWERTUNG UND AUSBLICK . 321 14.6. REALISIERUNG VON SOFT-SHADOWS . 322 14.6.1. LICHTQUELLEN UND HERAUSFORDERUNGEN . 322 14.6.2. EINSATZ MEHRERER LICHTQUELLEN . 322 14.6.3. BILD-BASIERTER ANSATZ MIT MULTIPOSITIONSLICHTERN . 324 14.6.4. MEHRERE VERDECKENDE OBJEKTE . 324 14.6.5. SINGLE-SAMPLE-SOFT-SHADOWS UND SMOOTHIES . 325 14.7. POTENTIAL VON AMBIENT-LIGHT . 326 14.7.1. AMBIENT-OCCLUSION . 326 14.7.2. SCREEN-SPACE-AMBIENT-OCCLUSION . 327 14.8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 328 14.9. UEBUNGSAUFGABEN . 328 XVIII INH AL TSVERZEI CHNIS 15. COMPUTERGRAFIK, ABER INVERTIERT! 331 15.1. COMPUTERGRAFIK VERSUS COMPUTER-VISION . 332 15.1.1. EINSTIEG IN DIE COMPUTER-VISION MIT OPENCV . 332 15.1.2. KAMERAVERZEICHNUNG MIT OPENCV KORRIGIEREN . 333 15.2. 3D-STRUKTUREN AUS BILDSERIEN ABLEITEN . 336 15.2.1. IDEE VON STRUCTURE-FROM-MOTION . 336 15.2.2. MARKANTE MERKMALE IN BILDERN FINDEN . 336 15.2.3. MODELLE AUS PUNKTMENGEN ABLEITEN . 339 15.2.4. PANORAMABILDERSTELLUNG MIT RANSAC . 342 15.2.5. EPIPOLARGEOMETRIE . 345 15.2.6. STRUCTURE-FROM-MOTION-PROZESS IM UEBERBLICK . 349 15.3. 3D-REKONSTRUKTIONSPROZESS AM KONKRETEN BEISPIEL . 351 15.3.1. OPEN-SOURCE UND PROPRIETAERE SOFTWAREPAKETE . 352 15.3.2. AUFNAHMESTRATEGIE DER FOTOS . 352 15.3.3. 3D-REKONSTRUKTION MIT VISUALSFM . 353 15.3.4. 3D-REKONSTRUKTION MIT COLMAP . 355 15.3.5. 3D-REKONSTRUKTION MIT ALICEVISION MESHROOM . 356 15.3.6. 3D-REKONSTRUKTION MIT AGISOFT METASHAPE . 356 15.3.7. 3D-REKONSTRUKTION MIT REALITYCAPTURE . 358 15.4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 359 15.5. UEBUNGSAUFGABEN . 359 A. LOESUNGEN AUSGEWAEHLTER AUFGABEN 361 B. SAMMLUNG VISUELLER EXPERIMENTE 377 LITERATURVERZEICHNIS 379 STICHWORTVERZEICHNIS 388 XIX
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