Powerpoint

DirectX – Graphics
Fortgeschrittene Techniken
Lichtberechnung - Basics
Vertexbasiertes Licht
• DirectX – Standardmethode
• Farbe eines Polygons ergibt sich aus dem Licht, dem
seine Vertices ausgesetzt sind
• hohe Performance der Berechnung
• Problem:
– bei zu großen Polygonen kann es passieren, dass die Vertices
nicht mehr vom Licht erreicht werden
 dies gilt allerdings nur für Lichtquellen mit begrenzter Reichweite
Lichtberechnung - Basics
Pixelbasiertes Licht
• pixelbasierte Verfahren errechnen für jedes Pixel eines
Polygons dessen Normalenvektor
• dieser dient dann als Grundlage für die Lichtberechnung
 realistische Lichtberechnung
 allerdings sehr arbeitsintensive Berechnungen
Lichtberechnung - Basics
Lichtarten
• Ambientes Licht
– dient der gleichmäßigen Ausleuchtung einer Szene =>
Grundbeleuchtung
– Lichtfarbe wird festgelegt und Licht eingeschaltet
//Einschalten
g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, TRUE);
//Lichtfarbe
g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_AMBIENT,
D3DCOLOR_XRGB(150, 150, 150);
Lichtberechnung – Basics
Direkte Lichtquellen
• Directional Light
– paralleles Licht mit unendlicher Reichweite
• Point Light
– breitet sich von einer Punktlichtquelle in alle Richtungen mit begrenzter
Reichweite aus
• Spot Light
– bsw. Lichtkegel einer Taschenlampe
Lichtberechnung - Basics
Lichteigenschaften werden in der D3DLIGHT9 – Struktur
gespeichert:
Lichtberechnung - Basics
Farbanteile des Lichtes werden in der D3DCOLORVALUE
- Struktur gespeichert
Werte > 1 erzeugen ein sehr helles Licht
Werte < 0 entziehen der Szene den jeweiligen Farbanteil
Lichtberechnung
Lichtreflektion an einer Oberfläche
• Helligkeit abhängig vom
Einfallswinkel
• je größer der Winkel, desto
geringer die Helligkeit
• wahrgenommene Intensität
unabhängig von der Position
des Betrachters, da Licht in
viele verschiedene
Richtungen reflektiert wird
(Oberflächenbeschaffenheit)
Lichtberechnung
weitere Reflektionsarten
• spiegelnde Reflektion
– abhängig von der Materialoberfläche (Spiegel vs. Stein)
– wahrgenommene Intensität abhängig von der relativen Position
des Betrachters zur Lichtquelle
• ambiente Reflektion
– Licht ohne spezielle Richtung
– wird ständig „hin und her“ reflektiert
– Reflektion unabhängig von der Orientierung der Oberfläche =>
Licht kommt aus allen Richtungen
– bsw. Helligkeit trotz Wolken
Lichtberechnung
• abhängig von der Temperatur eines Körpers kann dieser
auch selbst Licht aussenden (bsw. Weißglut)
 Materialeigenschaften wie diese werden in der
D3DMATERIAL9 – Struktur gespeichert
Shading - Verfahren
Flat – Shading
• Lichtberechnung aufgrund des Oberflächennormalenvektors
• wegen vertexbasierter Berechnung, muss Normalenvektor
den Vertices zugewiesen werden
 gesamtes Polygon wird einheitlich schattiert
 kantige Farbverläufe zwischen Polygonen
 dafür sehr schnelles Verfahren
Shading - Verfahren
Gouraud – Shading
•
DirectX – Standardverfahren
1. Berechnung der Lichtintensität der Vertices
2. Interpolation der Farbverlaufs aufgrund dieser Werte
 die Beleuchtung des Polygons ist dann einheitlich,
wenn sowohl Beleuchtung als auch Normalenvektoren
aller Vertices gleich sind
Shading - Verfahren
Vertexstrukturen
• D3DFVF_NORMAL =>
Vertexbeleuchtung durch
DirectX
• D3DFVF_TEX2 => 2 Sätze
von Texturkoordinaten
werden verwendet
Multitexturing
• Erscheinungsbild eines Polygons resultiert aus der
Kombination von Licht – und Texelfarbe (Farbe jedes
Texturpixels)
• DirectX bietet viele verschiedene Kombinationsverfahren
• Beispiel Farbbestimmung bei einer Textur (0. Stufe)
// 1. Farbargument ist Texelfarbe
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLORARG1,
D3DTA_TEXTURE)
// 2. Argument ist diffuse Streulichtfarbe
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLORARG2,
D3DTA_DIFFUSE)
// Multiplikative Verknüpfung
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLOROP,
D3DTOP_MODULATE)
Multitexturing
DirectX – Farboperationen
Konstante
Vorgehen
Effekt
D3DTOP_MODULATE
Arg1 * Arg2
D3DTOP_MODULATE2X
(Arg1 * Arg2) * 2
Aufhellung
D3DTOP_MODULATE4X
(Arg1 * Arg2) * 4
Aufhellung
D3DTOP_ADDSIGNED
Arg1 + Arg2 - 0,5 Angenehmer Hell
– Dunkel Kontrast
D3DTOP_ADDSIGNED2X
(Arg1 + Arg2 –
0,5) * 2
kräftiger Hell –
Dunkel Kontrast
Multitexturing
• verwendet man mehrere Texturstufen (= mehrere
Texturen) wird die Farbe der nächst kleineren Texturstufe
zum 2. Farbargument
 bsw. Ergebnis der Farboperation der 0. Stufe wird zum
Farbargument der 1. Stufe usw.
• DirectX erlaubt die Verwendung von bis zu 8
Texturstufen
Multitexturing
Detailmapping
• dient einer Vergrößerung des Polygondetailreichtums
• Strukturtextur wird bsw. als 1. Texturstufe auf das Polygon
gemappt
// 2. Satz Texturkoordinaten verwenden
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(1, D3DTSS_TEXCOORDINDEX,
1);
// 1. Argument ist Texelfarbe der Detailtextur
g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG1,
D3DTA_TEXTURE);
// 2. Argument ist Ergebnis der Farboperation der 0. Texturstufe
g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG2,
D3DTA_CURRENT);
// als Farboperation wird D3DTOP_ADDSIGNED verwendet
g_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLOROP,
D3DTA_ADDSIGNED);
Multitexturing
Glowmapping
•
dient der Simulierung einer zusätzlichen Beleuchtung
einer Polygonfläche
•
2 Möglichkeiten
1.
2.
Berücksichtigung der Streulichtfarbe der eingeschalteten
Lichtquellen
zur Beleuchtung wird ausschließlich die Lightmap – Textur
verwendet
Def.: Lightmap – Textur ist ein
Bitmap,
welches bsw. einen Lichtkegel
darstellt:
Multitexturing
Darkmapping
• dient der Abdunklung einer Textur
• wird durch die Farboperation D3DTOP_MODULATE
erreicht
Zurücksetzen der Farboperationen nach dem Rendern:
• Standard 0. Texturstufe:
g_pd3dDeviceSetTextureStageState(0, D3DTSS_COLOROP,
D3DTOP_MODULATE)
• Standard aller weiteren Stufen
g_pd3dDeviceSetTextureStageState(Nr , D3DTSS_COLOROP,
D3DTOP_DISABLE)
Multitexturing
Konstanten und ihre Bedeutung:
Konstante
Effekt
D3DTOP_ADD
Addition beider Farbargumente
D3DTA_CURRENT
Ergebnis der vorherigen Farboperation
D3DTA_TEXTURE
Texelfarbe der aktuellen Texturstufe
D3DTOP_SELECTARG1
als Farbargument der Operation wird nur die
aktuelle Texelfarbe verwendet
D3DTA_COLORARG1
1. Farbargument
D3DTSS_TEXCOORDIND x. Texturkoordinatensatz wird verwendet
EX, x
Konstanten für Farboperationen vs. Konstanten zur Farbargumentfestlegung
Texturfilterung
Techniken
• bilineare Filterung
• anisotrope Filterung
• bilineare Texturfilterung mit einfachem Mipmap – Wechsel
• trilineare Texturfilterung (bilineare Filterung zwischen
verschiedenen Mipmaps „sanftes Überblenden“)
• anisotrope Filterung
 Filterungsverfahren dienen der Qualitätsverbesserung bei
der Skalierung der 3D – Objekte und damit der Texturen
 Filterverfahren sind bei der Skalierung darum notwendig,
weil Texelfarben bei Vergrößerung / Verkleinerung
interpoliert werden müssen
Texturfilterung
• die bilineare Filterung interpoliert einen neuen Texelwert
aus den Farbwerten in x – und y – Richtung um das
betreffende Basistexel
 speziell bei perspektivischen Darstellungen erbringt
dieses Verfahren allerdings schlechte Ergebnisse
 die trilineare Filterung interpoliert aus 2 bilinear
gefilterten Farbwerten einen Endwert => die 2
Basisfarbwerte stammen von den Texelfarben zweier
benachbarter Mipmap – Stufen
 beim Übergang einer Mipmap zur nächsten wird die
Texelfarbe aus beiden Mipmaps interpoliert
Texturfilterung
• anisotrope (uneinheitliche) Filterung
– während die trilineare Filterung alle Texel gleichmäßig abtastet,
berücksichtigt die anisotrope Filterung den Winkel, mit dem man
auf eine Textur blickt
– dadurch erhöht sich die Bildqualität
– allerdings ist die Berechnung relativ zeitaufwendig
Texturfilterung
Filtertechniken / wichtige Konstanten:
Konstante
Effekt
D3DSAMP_MINFILTER
Filtertyp, der bei der Verkleinerung einer
Textur eingesetzt wird
D3DSAMP_MAGFILTER
Filtertyp, der bei der Vergrößerung einer
Textur eingesetzt wird
D3DTEXF_LINEAR
bilineare Texturfilterung
D3DTEXF_ANISOTROPIC
anisotropische Filterung
D3DSAMP_MAXANISOTR
OPY, AnzSufen
Festlegung der Maximalstufe der
anisotropen Filterung =>
hardwareabhängig
Texturfilterung
Filtertechniken / wichtige Konstanten:
Konstante
Effekt
D3DSAMP_MIPFILTER
Mipmap – Filteroptionen festlegen
D33DTEXF_NONE
bilineare Filtern ohne Mipmap – Wechsel
D3DTEXF_POINT
bilineares Filtern mit einfachem Mipmap –
Wechsel
D3DTEXF_LINEAR
trilineare Texturfilterung => bilineare
Filterung zwischen Mipmaps
Beispiel:
g_pd3dDevice->SetsamplerState(NrTexturStufe, D3DSAMP_MIPFILTER,
D3DTEXF_LINEAR);
Erzeugung von 3D - Objekten
• einfache 3D – Objekte lassen sich von einer
mathematischen Grundform ableiten bsw. Kugel
• dadurch lässt sich die Konstruktion solcher Objekte
algorithmisch formulieren
 man muss eine mathematische Formulierung finden, die
den Aufbau eines komplexen Objektes aus einzelnen
Polygonen erreicht
 zur Speicherung der Vertex – Koordinaten verwendet
man eine indizierte Dreiecksliste
Erzeugung von 3D - Objekten
Indizierte Dreieckslisten
• neben einem Vertexbuffer benötigt man einen
Indexbuffer, in dem die Positionen der Vertices in einer
festgelegten Reihenfolge vorliegen
• erzeugt man ein Polygon, werden dessen Vertex –
Koordinaten in den Indexbuffer geschrieben
• Vorteil: einzelne Vertices können mehrfach verwendet
werden
 haben 2 Polygone eine gemeinsame Kante, haben sie
auch 2 gemeinsame Vertices
 statt 6 Vertices, müssen nur 4 berechnet werden
Erzeugung von 3D - Objekten
Verwenden einer indizierten Dreiecksliste
• Indexdaten werden meist zunächst in temporärem
Indexarray gespeichert und dann in den Indexbuffer
kopiert
• Indexbuffer wird durch CreateIndexBuffer(…) erzeugt
g_pd3dDevice->CreateIndexBuffer(AnzIndices*sizeof(WORD),
D3DUSAGE_WRITEONLY, D3DFMT_INDEX16,
D3DPOOL_MANAGED, &PlanetIB, NULL );
Erzeugung von 3 - Objekten
Erzeugung eines Indexbuffers
• bei der Erstellung eines 3D –
Objekts definiert man die Position
der einzelnen Polygone als 2D –
Projektion des Objekts in eine
Ebene (bsw. Kugel => Weltkarte)
 dadurch bleibt die relative
Anordnung der Polygone
zueinander gleich
• in dieser Ebene verwendet man
üblicherweise Quads
• die Eckpunktindices der
Basisdreiecke werden im
Uhrzeigersinn in das Indexarray
geschrieben
Erzeugung von 3D - Objekten
Erzeugung eines Indexbuffers
• das Problem liegt darin, eine mathematische
Formulierung zu finden, die die gesuchte geometrische
Grundform beschreibt
• Beispiel Kugel:
x = radius * sin(Vertikalwinkel) * sin(Horizontalwinkel);
y = -radius * cos(Vertikalwinkel);
z = radius * sin(Vertikalwinkel) * cos(Horizontalwinkel);
Erzeugung von 3D - Objekten
Erzeugung einer Kugel
• mit den vorherigen Gleichungen kann man nun eine Schleife
bauen, die den Kugelindexbuffer initialisiert:
for( zeilenNr = 0; zeilenNr < AnzVerticesSpalte; zeilenNr++)
{
for( spaltenNr = 0; spaltenNr < AnzVerticesZeile; spaltenNr++)
{
pVertices[zeilenNr*AnzVerticesZeile+spaltenNr].position =
D3DXVECTOR3(Radius*sinf(zeilenNr*RingTeilwinkel)*sinf(spalte
nNr*SegmentTeilwinkel), -Radius*cosf(zeilenNr*RingTeilwinkel),
Radius*sinf(zeilenNr*RingTeilwinkel)*cosf(spaltenNr*SegmentTeil
winkel));
}
}
Erzeugung von 3D - Objekten
Rendern einer indizierten Dreiecksliste
1. Übergabe von Index – und Vertexbuffer an DirectX

g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, PlanetModell->PlanetVB, 0,
sizeof(SPACEOBJEKT3DVERTEX));
g_pd3dDevice->SetIndices(PlanetModell->PlanetIB);
2.
Zeichnen der indizierten Dreiecksliste

g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0,
0, PlanetModell->AnzVertices,
0, PlanetModell->AnzTriangles)

zeichnet alle Dreiecke vom Anfang bis zum Ende des
Indexbuffers
es können auch nur bestimmte Dreiecke des
Indexbuffers gezeichnet werden

Alpha - Blending
• dient der Darstellung von Transparenzeffekten
• um Darstellungsfehler zu vermeiden, müssen alle
transparenten Objekte in Back – to – Front Order
gerendert werden => zuerst die am weitesten entfernten
Objekte
• Objekte ohne Transparenzeigenschaften müssen
entweder vorher oder auch Back – to – Front gerendert
werden
 2. Möglichkeit deutlich rechenintensiver, dafür keine
Darstellungsfehler
Alpha - Blending
• zunächst Sortierung der Objekte notwendig
• Verwendung von qsort() => basiert auf Quick – Sort –
Algorithmus
• qsort() ruft Callback – Methode ObjektSortCB() auf
 diese Funktion legt fest, wie die Objekte sortiert werden
sollen
Alpha - Blending
• Alpha Blending erzeugt Mischfarben aus den
Texelfarben des transparenten Objekts und den Farben
der Hintergrundpixel
 da die Farben der Hintergrundpixel vorhanden sein
müssen, müssen weit entfernte Pixel zuerst gerendert
werden
Def.:
• Texelfarbe des transparenten Objekts: Quellfarbe
(source color)
• Farbe der Hintergrundpixel: Zielfarbe (destination color)
Alpha - Blending
Konstante
Bedeutung
D3DBLEND_SRCALPHA
Alphakomponente => Grad der
Transparenz 0.0f = 100% Transparenz,
1.0f = 0% Transparenz
D3DBLEND_INVSRCALPHA 1 - Alphakomponente
• bei 100% Transparenz gilt: Mischfarbe = Hintergrundfarbe
• bei 0% Transparenz gilt: Mischfarbe = Texelfarbe
• allgemein gilt: Mischfarbe = Texelfarbe * Alpha +
Hintergrundfarbe * (1 – Alpha)
• den Grad der Transparenz legt man bei den Materialeigenschaften
fest bsw. mtrl.Diffuse.a = 0.6f => 40% Transparenz
Alpha - Blending
verschiedene Mischoperationen für Alpha – Blending:
Konstante
Bedeutung
D3DTSS_ALPHAOP
Festlegen der Operationsmethode
D3DTOP_MODULATE
ARG1 * ARG2
D3DRS_DESTBLEND, 2
Mischfarbe = Texelfarbe + Hintergrundfarbe =>
keine Verwendung der Alphakomponenten
Standardeinstellungen:
• 0. Texturstufe: D3DTOP_SELECTARG1 => nur
Alphawerte der Texel werden berücksichtigt
• weitere Stufen: D3DTOP_DISABLE
Fragen?