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Non-Photorealistic Rendering Eine Einführung computer graphics & visualization Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007 Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Überblick Toon Shading Computer Sketching Halftoning Screening Stippling 5. Zusammenfassung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 2 computer graphics & visualization 1.Begriffserklärung Definition „Non Photorealistic Rendering“: Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch sind. Definition „nicht photorealistische Bilder“ (nach Masuch): Als nicht-photorealistisch bezeichnen wir Bilder, deren Elemente zwar realistische Aspekte der Abbildung beinhalten, deren Darstellungsweise jedoch aufgrund der Verwendung bestimmter Stilmittel in den Bereichen Form, Farbe, Struktur, Schattierung, Licht oder Schattenwurf von der wahrnehmbaren Wirklichkeit abweichen. Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 3 computer graphics & visualization 1. Begriffserklärung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 5 computer graphics & visualization 1. Begriffserklärung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 6 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Überblick Toon Shading Computer Sketching Halftoning Screening Stippling 5. Zusammenfassung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 7 computer graphics & visualization 2. Ziele Im wesentlichen 2 wichtige Ziele: • Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…) • künstlerische, kreative Bilder erzeugen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 8 computer graphics & visualization 2. Ziele Nachteile photorealistischer Bilder: • Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen) • Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst) • Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen) • Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig Interpretationsmöglichkeiten „Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Cassidy Curtis Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 9 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering 1. Begriffserklärung 2. Ziele 3. Anwendungsgebiete 4. Techniken 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Überblick Toon Shading Computer Sketching Halftoning Screening Stippling 5. Zusammenfassung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 10 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Kunst Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 11 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Comics/ Cartoons Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 12 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Architektur Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 13 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Kartographie Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 14 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Medizin Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 15 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Technik Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 16 computer graphics & visualization 3. Anwendungsgebiete Archäologie Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 17 computer graphics & visualization Non-Photorealistic Rendering 1. 2. 3. 4. Begriffserklärung Ziele Anwendungsgebiete Techniken 4.1 Überblick 4.2 Toon Shading 4.3 Computer Sketching 4.4 Halftoning 4.5 Screening 4.6 Stippling 5. Zusammenfassung Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 18 computer graphics & visualization 4.1 Überblick Einordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien: • A. Maß an Interaktion • interaktiv (künstlerisch) automatisch • B. Eingabe • • • • 3D Szenen 2D Bilder 2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen) Benuzereingaben in ein Malsystem • C. Art des Algorithmus • Objektraum-Algorithmus • Bildraum-Algorithmus • D. Ausgabe • • • • Cartoon (-> Toon Shading) Skizze (-> Computer Sketching) Punktzeichnung (-> Stippling) Aquarell… Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 19 computer graphics & visualization 4.1 Grundlagen Objektraum-Algorithmen Bildraum-Algorithmen Arbeiten im 3 Dimensionalen Raum Arbeiten im 2 Dimensionalen Raum Geometrische Datenverarbeitung Bildverarbeitung Arbeiten auf der Ebene der Objekte, mit der Genauigkeit ihrer Definition Die Genauigkeit der Berechnung entspricht der Bildschirmauflösung Pseudocode: „for each Object do…“ Pseudocode: „for each Pixel do…“ Skalierungen/ Drehungen erfordern keine erneute Berechnung Skalierungen/ Drehungen erfordern eine erneute Berechnung ( keine FrameKohärenz, „Shower Door Effekt“) Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 20 computer graphics & visualization 4.2 Toon Shading Toon Shading: Eine Rendering Technik, die verwendet wird um den 2D Effekt von Cartoons zu erzeugen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 21 computer graphics & visualization 4.2 Toon Shading Motivation: „Einfache“ Erstellung von Cartoons/ Zeichentrickfilmen Charakteristika: • große Farbflächen mit maximal 3 Schattierungsstufen • Silhouetten • einfache Gestaltung • Beschränkung auf wichtige Elemente Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 22 computer graphics & visualization 4.2 Toon Shading Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum): • Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe) • Jedem Polygon wird eine Farbe zugeordnet • Zuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle L Oberfläche 1D Textur Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 23 computer graphics & visualization 4.2 Toon Shading Silhouetten (Bildraumverfahren) • Tiefenkarte extrahieren • Kantenerkennung darauf anwenden • Normalenkarte erstellen • Kantenerkennung darauf anwenden Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 24 computer graphics & visualization 4.2 Toon Shading Kombinieren der beiden Ergebnisse: Anwendung auch bei technischen Illustrationen: Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 25 computer graphics & visualization 4.3 Computer Sketching Computer Sketching: Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die aussehen wie handgezeichnete Skizzen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 26 computer graphics & visualization 4.3 Computer Sketching Motivation: • Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentieren (Anwendung z.B. in der Architektur) • Exakte Darstellung wirkt oft sehr steril Mögliche Verfahren: a. Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter) b. Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum) c. Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum) Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 27 computer graphics & visualization 4.3 Computer Sketching Objektraum-Verfahren: • Linien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzen • Linien spalten • Mittelpunkte der Linien verschieben Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 28 computer graphics & visualization 4.4 Halftoning Halftoning (Halbton-Verfahren): Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich kontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farben Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 29 computer graphics & visualization 4.4 Halftoning • Problem: Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker konnten nur Schwarz-Weiß drucken • Ziel: Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder möglichst hoher Qualität erzeugen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 30 computer graphics & visualization 4.4 Halftoning Verfahren: • Eingabe: Graustufenbild • Zusammenfassen von Pixeln zu Pixelgruppen • Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im Graustufenbild • Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-WeißMuster (gespeichert in einer Matrix) 2 9 4 6 1 8 7 3 5 Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 31 computer graphics & visualization 4.4 Halftoning Ausnutzen der Auflösung des Menschlichen Auges Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 32 computer graphics & visualization 4.4 Halftoning Beispiel: Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 33 computer graphics & visualization 4.5 Screening - Bild Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Screening: Variante des Halftonings bei der der Benutzer mehr Kontrolle über die entstehenden Muster erhält Folie 35 computer graphics & visualization 4.5 Screening Vorgehen: • Eingabe: • Graustufenbild S • Graustufenbild eines Musters M • Muster zyklisch auf Bildgröße erweitern • Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (IS(p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (IM(p)) • IS(p) > IM(p) Pixel wird gesetzt, sonst nicht Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 36 computer graphics & visualization 4.5 Screening Screening mit Texten Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 37 computer graphics & visualization 4.6 Stippling Stippling (Punktierung): Das Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellen Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 38 computer graphics & visualization 4.6 Stippling • Motivation: • Liefert sehr klare Illustrationen • Anfertigung per Hand extrem aufwändig • Anwendung: • Bei wissenschaftlichen und technischen Illustrationen • Als Kunstform • In Printmedien Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 39 computer graphics & visualization 4.6 Stippling Charakteristika: • Punkte simulieren Ton und Textur • Gleichmäßige Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster) Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 40 computer graphics & visualization 4.6 Stippling Lösungsansatz (im Objektraum): • Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“ Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 41 computer graphics & visualization 4.6 Stippling • Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbar Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 42 computer graphics & visualization 4.6 Stippling Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 43 computer graphics & visualization 5. Zusammenfassung • Noch viele weitere mögliche Techniken • Bei weiterem Interesse: • „Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas Strothotte, Stefan Schlechtweg) • http://www.red3d.com/cwr/npr/ Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 44 computer graphics & visualization Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie 45 computer graphics & visualization
