Hasso-Plattner-Institut
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Thema dieser Arbeit sind echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren, die 3D-Geometrie mit über der Standarddarstellung hinausgehenden Qualitäts- und Gestaltungsmerkmalen rendern können. Beispiele sind Verfahren zur Darstellung von Schatten, Reflexionen oder Transparenz. Mit heutigen computergraphischen Software-Basissystemen ist ihre Integration in 3D-Anwendungs-systeme sehr aufwändig: Dies liegt einerseits an der technischen, algorithmischen Komplexität der Einzelverfahren, andererseits an Ressourcenkonflikten und Seiteneffekten bei der Kombination mehrerer Verfahren. Szenengraphsysteme, intendiert als computergraphische Softwareschicht zur Abstraktion von der Graphikhardware, stellen derzeit keine Mechanismen zur Nutzung dieser Renderingverfahren zur Verfügung.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Software-Architektur für ein Szenengraphsystem zu konzipieren und umzusetzen, die echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren als Komponenten modelliert und es damit erlaubt, diese Verfahren innerhalb des Szenengraphsystems für die Anwendungsentwicklung effektiv zu nutzen. Ein Entwickler, der ein solches Szenengraphsystem nutzt, steuert diese Komponenten durch Elemente in der Szenenbeschreibung an, die die sichtbare Wirkung eines Renderingverfahrens auf die Geometrie in der Szene angeben, aber keine Hinweise auf die algorithmische Implementierung des Verfahrens enthalten. Damit werden Renderingverfahren in 3D-Anwendungssystemen nutzbar, ohne dass ein Entwickler detaillierte Kenntnisse über sie benötigt, so dass der Aufwand für ihre Entwicklung drastisch reduziert wird.

Ein besonderer Augenmerk der Arbeit liegt darauf, auf diese Weise auch verschiedene Renderingverfahren in einer Szene kombiniert einsetzen zu können. Hierzu ist eine Unterteilung der Renderingverfahren in mehrere Kategorien erforderlich, die mit Hilfe unterschiedlicher Ansätze ausgewertet werden. Dies erlaubt die Abstimmung verschiedener Komponenten für Renderingverfahren und ihrer verwendeten Ressourcen.

Die Zusammenarbeit mehrerer Renderingverfahren hat dort ihre Grenzen, wo die Kombination von Renderingverfahren graphisch nicht sinnvoll ist oder fundamentale technische Beschränkungen der Verfahren eine gleichzeitige Verwendung unmöglich machen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Software-Architektur kann diese Grenzen nicht verschieben, aber sie ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz vieler Verfahren, bei denen eine Kombination aufgrund der hohen Komplexität der Implementierung bislang nicht erreicht wurde. Das Vermögen zur Zusammenarbeit ist dabei allerdings von der Art eines Einzelverfahrens abhängig: Verfahren zur Darstellung transparenter Geometrie beispielsweise erfordern bei der Kombination mit anderen Verfahren in der Regel vollständig neuentwickelte Renderingverfahren; entsprechende Komponenten für das Szenengraphsystem können daher nur eingeschränkt mit Komponenten für andere Renderingverfahren verwendet werden.

Das in dieser Arbeit entwickelte System integriert und kombiniert Verfahren zur Darstellung von Bumpmapping, verschiedene Schatten- und Reflexionsverfahren sowie bildbasiertes CSG-Rendering. Damit stehen wesentliche Renderingverfahren in einem Szenengraphsystem erstmalig komponentenbasiert und auf einem hohen Abstraktionsniveau zur Verfügung. Das System ist trotz des zusätzlichen Verwaltungsaufwandes in der Lage, die Renderingverfahren einzeln und in Kombination grundsätzlich in Echtzeit auszuführen.

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