DirectX – Graphics Fortgeschrittene Techniken. Lichtberechnung - Basics Vertexbasiertes Licht...

DirectX – GraphicsFortgeschrittene 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


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


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


Lichteigenschaften werden in der D3DLIGHT9 – Struktur gespeichert:


Farbanteile des Lichtes werden in der D3DCOLORVALUE

- Struktur gespeichert

Werte > 1 erzeugen ein sehr helles LichtWerte < 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 Streulichtfarbeg_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_DIFFUSE)// Multiplikative Verknüpfungg_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 verwendeng_pd3dDevice->SetTextureStageState(1, D3DTSS_TEXCOORDINDEX, 1);// 1. Argument ist Texelfarbe der Detailtexturg_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE);// 2. Argument ist Ergebnis der Farboperation der 0. Texturstufeg_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT);// als Farboperation wird D3DTOP_ADDSIGNED verwendetg_pd3dDevice->SetTextureStageState (1, D3DTSS_COLOROP, D3DTA_ADDSIGNED);

Multitexturing

Glowmapping• dient der Simulierung einer zusätzlichen Beleuchtung

einer Polygonfläche• 2 Möglichkeiten

1. Berücksichtigung der Streulichtfarbe der eingeschalteten Lichtquellen

2. 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_TEXCOORDINDEX, x

x. Texturkoordinatensatz wird verwendet

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

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_MAXANISOTROPY, AnzSufen

Festlegung der Maximalstufe der anisotropen Filterung => hardwareabhängig

Filtertechniken / wichtige Konstanten:

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


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


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 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 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(spaltenNr*SegmentTeilwinkel), -

Radius*cosf(zeilenNr*RingTeilwinkel), Radius*sinf(zeilenNr*RingTeilwinkel)*cosf(spaltenNr*SegmentTeil

winkel));}

}


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

verschiedene Mischoperationen für Alpha – Blending:

Standardeinstellungen:• 0. Texturstufe: D3DTOP_SELECTARG1 => nur

Alphawerte der Texel werden berücksichtigt• weitere Stufen: D3DTOP_DISABLE

Alpha - Blending

Konstante Bedeutung

D3DTSS_ALPHAOP Festlegen der Operationsmethode

D3DTOP_MODULATE ARG1 * ARG2

D3DRS_DESTBLEND, 2 Mischfarbe = Texelfarbe + Hintergrundfarbe => keine Verwendung der Alphakomponenten

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