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Texturgenerierung vereinfachter Netze auf der Grafikkarte

Texturgenerierung vereinfachter Netze auf der Grafikkarte
Typ:Studienarbeit
Datum:2009
Autor(en):Thomas Hamm
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Ziel der Arbeit ist die Übertragung von Texturen und Normalenrichtungen von einem feinen, detailliert modellierten Netz auf eine vereinfachte, grobe Variante des Netzes. Dies soll eine möglichst detaillierte Darstellung des groben Netzes in Echtzeit ermöglichen. Um die Farbtextur und die Normalenrichtungen vom feinen auf das grobe Netz zu übertragen, wurde ein grafikkartenbasiertes Strahlverfolgungsverfahren implementiert, womit sich auch komplexe Netze effektiv bearbeiten lassen. Aus den Ergebnissen der Strahlverfolgung lassen sich dann neue Farb- und Normalentexturen für das grobe Netz erzeugen, mit denen das grobe Netz dann mittels einem pixelgenauen Beleuchtungsverfahren detailliert wiedergegeben werden kann. Die grafikkartenbasierte Strahlverfolung wird weiterhin dazu verwendet, eine Verdeckungstextur mittels Ambient Occlusion zu errechnen, mit der eine noch realistischere Darstellung möglich wird. Abbildung 1 zeigt das Verfahren im Überblick.

Um die neuen Farbwerte und Normalenrichtungen für das grobe Netz zu bestimmen, werden ausgehend vom groben Netz in Richtung der gemittelten Normalen Strahlen losgeschickt, welche dann auf einen Schnitt mit dem feinen Netz getestet werden. Die Farbe und Normalenrichtung die das feine Netz in diesen Schnittpunkten besitzt, werden dann auf das grobe Netz übertragen. Abbildung 2 zeigt den Normalenschnitt mit dem feinen Netz.

Um die Strahlverfolgung zu beschleunigen, wird das feine Netz in einem Vorverarbeitungsschritt in ein regelmäßiges Gitter einsortiert. Während der Strahlverfolgung müssen dann nur die Zellen des Gitters durchsucht werden, die vom Strahl durchlaufen werden. Dies geschieht mittels einem auf drei Dimensionen erweiterten Digital Differential Analyzer. In Abbildung 3 ist der Durchgang eines Strahles durch das Gitter abgebildet.

Abb.1: Übersicht

   
Abb. 2: Normalenschnit 
Abb. 3: Strahldurchgang
Aus dem Ergebnis der Strahlverfolgung lassen sich nun direkt neue Farb- und Normalentexturen erzeugen. Zusätzlich wird - ausgehend von den Schnittpunkten auf dem feinen Netz - die Strahlverfolgung nochmals in zufällige Richtungen durchgeführt um eine Verdeckungstextur zu erzeugen. Mit der neuen Farb-, Normalen- und Verdeckungstextur lässt sich das grobe Netz jetzt detailgetreu wiedergeben, obwohl es aus weniger komplexer Geometrie besteht als das feine Netz. Durch den Einsatz moderner Grafikkarten lassen sich mit dem vorgestellten Verfahren selbst Netze mit mehreren Millionen Facetten noch im Sekundenbereich verarbeiten. Die folgenden Abbildungen zeigen das Verfahren am Beispiel einer zufällig verrauschten Oberfläche.

     
(a) Feines Netz, texturiert und
beleuchtet
(b) Feines Netz als Drahtgittermodell (c) Grobes Netz als
Drahtgittermodell
     
(d) Ergebnis der Strahlverfolgung (e) Normalentextur (f) Verdeckungstextur
   
  (g) Darstellung des groben Netzes
mit neuer Farb-, Normalen- und
Verdeckungstextur