22 Der Kamera Modus Dialog Wenn Sie den "Kamera-Modus"-Eintrag anw„hlen, so er- scheint eine Dialogbox (Abb. 22.1) in der Sie alle Einstellun- gen vornehmen k”nnen, die fr die Darstellung und Realit„ts- n„he ihrer Szenerie von Bedeutung sind. Alle Einstellungen gelten nur fr die endgltige Darstellung des Bildes, die Sie durch den "Berechne"-<Bild>-Button im Kamera-Men aktivieren. Auf das Kamera- oder Arbeitsfen- ster haben die folgenden Einstellungen keinen Einfluž: Stehen Ihnen bei der Berechnung der Bilder weniger als 16 Farben zur Verfgung, dann lassen sich hier nur die Einstell- lungen fr den Hidden- oder Scanline-Algorithmus und die Bildgr”že ver„ndern. Die Buttons in der "Darstellung"-Box: Hier k”nnen Sie zwischen 3 grunds„tzlichen Berechnungs-Al- gorithmen zur Darstellung der Bilder w„hlen, die allerdings durch Anw„hlen der anderen Parameter noch vielf„ltig beein- flužbar sind. <tiefensOrt> : Entspricht dem Hidden line-Algorithmus. Die einzelnen Facetten werden nach ihrem Mittelpunktsabstand von der Kamera aus sortiert. Danach werden die Facetten nacheinander, von der hintersten Facette an, gezeichnet. Da die vordersten Facetten zuletzt gezeichnet werden und damit die hintersten zuerst gezeichneten Facetten verdecken, entsteht so der Eindruck einer korrekt gezeichneten Darstel- lung mit verdeckten Kanten. Allerdings k”nnen durch ver- schieden grože, sich berlappende Facetten Fehler in der Darstellung auftreten. Dieser Nachteil wird aber durch eine relativ hohe Berechnungsgeschwindigkeit aufgehoben. Generell sollte jede komplizierte Szenerie, die Sie sp„ter mit einem aufwendigeren Berechnungs-Algorithmus darstellen wollen, erst einmal im Hidden line Modus berechnet werden. Auf diese Weise k”nnen Sie dann sehr schnell einfache Feh- lerquellen, wie z.B. ungengende oder falsch plazierte Be- leuchtung oder falsche Farbwahl, erkennen und verbessern. Nachdem Sie diese Einstellungen korrigiert haben, k”nnen Sie dann zu den anderen Algorithmen bergehen. <Scanline>: Beim Scanline-Algorithmus wird der Rasterbild- schirm des Monitors Zeile fr Zeile abgearbeitet. Jede Zeile entspricht dabei einer sogenannten Scanline. Diese Scanlinien werden jetzt mit den auf den Bildschirm projezierten Koordinaten der einzelnen Facetten verglichen und gegebenenfalls wird eine Schnittlinie berechnet. Liegen jetzt zwei Facetten hintereinander, und damit auch deren Schnittlinien auf dem Schirm, so wird fr jeden einzel- nen Punkt jeder Linie sein Abstand zur Kamera berechnet. Gezeichnet werden dann die Punkte mit dem geringsten Ka- meraabstand. Mit diesem Algorithmus lassen sich beliebige Objekte, die sich auch gegenseitig berlappen k”nnen, korrekt darstellen. Leider k”nnen sich auch hier Fehler einschleichen. Das liegt daran, daž der Abstand der Facettenpunkte von der Kamera mit Hilfe der auf den Bildschirm projezierten Facetteneck- punkte berechnet wird. Diese wiederum k”nnen in ihrer Ge- nauigkeit nur der Aufl”sung des Bildschirms entsprechen. Durch die Schnittlininienberechnungen und die Vergleichsope- rationen ist dieser Algorithmus natrlich etwas langsamer als der Hidden line Algorithmus. <Ray-tracing>: Dies ist der mit Abstand effektivste Algori- thmus und damit auch der rechenaufwendigste. Der Ray-tracing-Algorithmus basiert eigentlich auf einem ein- fachen Verfahren: In der Natur wird ein Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle ausgeht, von verschiedenen Gegenst„nden reflektiert und f„llt dann irgendwann in das Auge. Beim Ray-tracing wird genau umgekehrt verfahren. Vom Kamerastandpunkt aus wird ein "Sehstrahl" durch eine Projektionsebene (Bildschirm) gesendet und auf einen Schnittpunkt mit einem im Raum befindlichen Objekt getestet. Ist dieser vorhanden, so kann der Schnitt- punkt des Sehstrahles mit der Projektionsebene, also das be- treffende Pixel des Bild-schirmes, in der errechneten Oberfl„- chenintensit„t des Objektes gezeichnet werden. Der Sehstrahl kann aber auch weiterverfolgt werden. Bei ei- nem spiegelnden Objekt wird einfach der Reflektionswinkel berechnet und ein neuer Suchstrahl losgeschickt. Die Ober- fl„chenintensit„t fr das zuerst getroffene Objekt ergibt sich dann rekursiv aus dem einfallenden Licht und zus„tzlich aus dem von den anderen getroffenen Objekten reflektiertem Licht. Mit diesem Algorithmus ist es auch m”glich, eine Splittung des Sehstrahles zu berechnen, wie es bei Transparenz n”tig ist. Um ein realistisches Bild zu berechnen, mssen bei Transparenz einerseits die Oberfl„chenreflektionen bei Spie- gelungen und zus„tzlich die Intensit„t des von hinten einfal- lenden Lichtes berechnet werden. Dazu muž ein Spiegelstrahl und gleichzeitig ein gebrochener Sehstrahl berechnet werden. Treffen diese Sehstrahlen dann wieder auf ein transparentes oder spiegelndes Objekt, so wird der ganze Vorgang noch mal von vorne ausgel”st, so daž fr einen einzigen zu f„rbenden Bildschirmpunkt oft ganze Seh- strahlbndel zu berechnen sind. Um die Rechenzeit im einigermassen ertr„glichen Rahmen zu halten, kann deshalb die Verfolgungstiefe fr Reflektionen und Brechstrahlen separat eingestellt werden. Die "Schattierung"-Parameter: <Konstant>: Verwendet man konstante Schattierung, so wird fr jede Facette nur die Farbintensit„t in ihrem Mittelpunkt berechnet, und diese Information wird dann benutzt, um den Rest der Facette mit der gleichen Farbe zu fllen. Dies ist dann wohl die einfachste und mit Abstand schnellste Art der Berechnung und Darstellung. <gLeichm„žig>: Bei dieser Schattierungsart wird fr jeden darzustellenden Punkt eine eigene Intensit„t ausgerechnet. Da hier fr jeden gezeichneten Punkt der gleiche Rechenauf- wand betrieben wird, wie vorher fr einen einzigen Punkt, der stellvertretend fr die ganze Facette stand, steigt die Re- chenzeit hier auch proportional mit der Gr”že der Facette an. Beide Einstellungen sind nur fr die Darstellung im Hidden-li- ne oder Scanline-Modus von Bedeutung. Verwenden Sie den Ray-tracing-Algorithmus, dann wird na- trlich immer fr jeden einzelnen Punkt eine getrennte Inten- sit„t berechnet. Ist bei den Materialeinstellungen Interpolation fr das betref- fende Objekt festgelegt worden und ist der <Interpolation>- Button eingeschaltet, so wird der Berechnungsalgorithmus ab- ge„ndert. Siehe dazu <Interpolation>. <textUr>: Dieser Button zeigt an, ob bei der Berechnung des Bildes Oberfl„chentexturen mitberechnet werden sollen. Interessanterweise mssen Sie nicht auf den rechenintensiven Ray-tracing-Algorithmus zurckgreifen, um ihre Objekte mit Texturen versehen zu lassen. Schon im einfache Hidden-line- Modus lassen sich diese Texturen in die Berechnung des Bil- des miteinbeziehen. Wenn Sie den <textUr>-Button anw„hlen, dann werden die Bilder automatisch mit gleichm„ssiger Schattierung berech- net, also mit einer Intensit„tsberechnung fr jeden einzelnen Punkt. Vergewissern Sie sich vorher, daž Sie ihr Objekt auch im Material-Men mit einer Textur versehen haben. Zum Austesten der Textur Ihrer Objekte empfiehlt sich immer fol- gende Vorgehensweise, um das ganze Verfahren zu beschleu- nigen: 1. Objekttextur im Material-Men einstellen und den <teX- tur>-Button im Material-Men fr dieses Objekt einschalten. 2. Lichtquellen bis auf eine Lampe ausschalten, die ausreicht um die Textur beurteilen zu k”nnen. 3. Im "Kameramodus"-Men den <tiefensOrt.>-Button und den <textUr>-Button einschalten. 4. Bild berechnen. 5. Entspricht die Textur nicht Ihren Erwartungen, dann ms- sen Sie zurck in das Material-Men und die Textur ver„n- dern, z.B. Textur verschieben, andere Textur verwenden etc.. 6. Bild neu berechnen. Wiederholen Sie Vorgang 5 und 6 dann sooft, bis Sie mit Ih- rer Textur zufrieden sind und verwenden Sie dann wieder die Darstellungsart und Ausleuchtung die Sie wnschen, um das endgltige Bild zu berechnen. Die "Interp. & Glanz"-Parameter: <Interpolation>: Ist die Interpolation eingeschaltet, so werden alle Objekte, denen im Material-Men Interpolation zugewie- sen wurde, nach verschiedenen Verfahren mit interpolierter Oberfl„che berechnet (siehe auch Interpolation im "Material/ Farbe"-Men). Dabei kommen folgende Verfahren zur Anwendung: 1. Bei konstanter Schattierung im Hidden-, Scanline-Modus wird ein Verfahren zur Interpolation benutzt, das von Gouraud erstmals 1971 vorgestellt wurde. Dabei wird in jedem Eck- punkt einer Facette eine Normale errechnet, die sich als Mit- telwert der Normalen aller angrenzenden Facetten ergibt. Danach werden die Intensit„ten fr diese Eckpunkte berech- net und die Facette wird nach einem Scanline-Verfahren ge- zeichnet, wobei sich die Punktintensit„ten als interpolierte Mittelwerte der Eckpunktintensit„ten ergeben. Dieses Verfahren ist recht schnell und bei einer gengenden Anzahl von nicht zu grožen Facetten auch recht zufrieden- stellend in der Darstellung. 2. Bei gleichm„ssiger Schattierung im Hidden-, Scan-line- Verfahren und auch beim Ray-tracing wird ein Verfahren nach Phong (1975) verwendet. Dabei wird fr jeden Punkt auf der Facette eigens eine interpolierte Normale und die dazugeh”ri- ge Intensit„t berechnet. Die Rechenzeit ist demgem„ž h”her. <Glanzpunkt>: Bei allen Objekten, denen im Material-men eine gl„nzende und reflektierende Oberfl„che zugewiesen wurde, werden bei der Intensit„tsberechnung Glanzreflektio- nen durch Lichtquellen miteinberechnet. Die "Ray-tracing"-Parameter: Alle Einstellungen, die Sie in dieser Box vornehmen, haben nur einen Einfluž auf die Darstellung des Bildes im Ray-tra- cing-Modus. <sChatten>: Selektieren Sie diesen Button, wenn Sie in Ihrem Bild die Berechnung von Schatten miteinbeziehen wollen. Bei der Berechnung der Oberfl„chenintensit„t wird dann vor- her berprft, ob sich noch irgendwelche Objekte oder k”rpe- reigene Facetten zwischen den Lichtquellen und dem zu schattierenden Punkt befinden. Stellen Sie fr konvexe Objekte den <Konvex>-Button im Material-Men ein, um unn”tige Berechnungszeiten zu ver- hindern. Wird der zu schattierende Punkt von einem transparenten Ob- jekt verdeckt, so wird das Licht in Abh„ngigkeit von der Far- be des transparenten Objektes gefiltert. Ist das transparente Objekte zus„tzlich noch mit einer Textur versehen, so geht bei der Schattenberechnung allerdings nur die Materialfarbe in die Berechnung mit ein. Diese Objekte werfen also nur ei- nen einfarbigen Schatten. Bedenken Sie, daž mit jeder Lichtquelle die Rechenzeit stark zunimmt, da fr jede Lichtquelle getrennt ermittelt werden muž, ob ein Punkt in ihrem Schatten liegt oder nicht. <sPiegel.>: Wenn Sie mit diesem Button die Spiegelung ein- schalten, so werden bei allen Objekten, denen im Material- Men Spiegelungen zugewiesen wurden, Oberfl„chenreflektio- nen mitberechnet. Die Anzahl der Spiegelstrahlen, die dabei maximal zurckver- folgt werden, kann dabei von 1-9 eingestellt werden. <trAnsp.>: Ist der Transparenz-Button selektiert, so werden fr alle Objekte, denen im Material-Men Transparenz zuge- wiesen wurde, Hintergrundreflektionen mitberechnet. Die Anzahl der gebrochenen Suchstrahlen, die dabei maximal zurckverfolgt werden, kann dabei, ebenso wie bei den Spie- gelungen von 1-9, eingestellt werden. <aNtial.>: Dieser Button steht fr das Antialiasing. Bei einem groben Bildschirmraster, wie es z.B. in der niedri- gen ST-Aufl”sung (320*200 Bildpunkte) benutzt wird, kommt es oft zu unsch”nen Treppeneffekten. Eine diagonal verlau- fende Linie sieht dann in der Tat eher wie eine Treppe aus als wie eine gerade, saubere Linie. Durch Antialiasing lassen sich solche Effekte etwas gl„tten. Dabei wird jedes zu berechnende Bildschirmpixel in mehrere Unterpixel geteilt und fr jedes Unterpixel wird ein Such- strahl berechnet. Aus den Unterpixelintensit„ten wird dann eine mittlere Intensit„t fr den Bildschirmpunkt berechnet. So kommt es, daž Stufen, die etwas von der eigentlichen Li- nie abkommen, jetzt dunkler gezeichnet werden und insge- samt der Eindruck einer etwas verschwommeneren, aber ge- raderen Linie entsteht. Die Anzahl der Unterpixel, die berechnet werden sollen, kann von 1-4 eingestellt werden. Die Anzahl der berechneten Un- terpixel ergibt sich dabei zu (n+1)^2. Es ergeben sich also bei einer Einstellung von: 1 4 Unterpixel, 2 9 Unterpixel, 3 16 Unterpixel, 4 25 Unterpixel. Damit die Rechenzeit nicht auch um das 4,9,16 oder gar 25- fache ansteigt, da ja umso viel mehr Pixel berechnet werden mžten, wird nur bei bestimmten Pixeln das Antialiasing an- gewandt. Es werden nur solche Pixel in Unterpixel unterteilt, die in ih- rem Farbwert um einen bestimmten Betrag von denen sie um- gebenden Pixeln abweichen. Jeder zus„tzliche Spiegel- oder gebrochene Suchstrahl muž natrlich jedesmal neu auf Schnittpunkte mit Objektfacetten der Szenerie berprft werden. Man sollte sich also schon vorher Gedanken darber machen, wie viele Spiegel-, Brech- strahlen n”tig sind, um kostbare Rechenzeit zu sparen. L„žt man ein Bild mit Schatten, vielen spiegelnden und trans- parenten K”rpern und mit Antialiasing berechnen und stellt dabei noch eine hohe Anzahl der zurckzuverfolgenden Spie- gel- und Brechstrahlen ein, so kann die Berechnung des Bil- des auf einem normalen ST mehrere Tage dauern. Umso wichtiger ist es, daž das zu berechnende Bild dann auch zufriedenstellend dargestellt wird. Um das zu gew„hrlei- sten, sollte man folgendermažen vorgehen: 1. Mit Hilfe von Hidden- oder Scanlineverfahren bei konstan- ter Schattierung die korrekte Beleuchtung und Stellung der Objekte austesten. 2. Texturen nach oben genannten Verfahren austesten. 3. In einem Vorlauf bei geringer Aufl”sung (z.B. 160*100) und lediglich einem Suchstrahl fr Spiegelung und Transparenz und ausgeschaltetem Antialiasing ein kleines Testbild berech- nen, um die einzelnen Effekte auszutesten. Noch besser ist es, fr jeden Effekt getrennt ein kleines Testbild auszurechnen. Nehmen wir mal an Sie wollen, daž sich ein Objekt in einem anderen Objekt unter einem be- stimmten Winkel spiegelt und wissen nicht genau, ob die Spiegelung unter diesem Winkel auch sichtbar ist. Schalten Sie in diesem Fall einfach alle anderen Objekte und alle Effekte bis auf die Spiegelung aus. Testen Sie dann in einem kleinen Vorlauf, ob sich das eine Objekt wirklich in dem anderen spiegelt und ob Sie die Reflektionsparameter richtig eingestellt haben. Wenn nicht, dann „ndern Sie ein- fach die Stellung der Objekte zueinander oder ver„ndern die Reflektionsparameter, bis Sie ein zufriedenstellendes Testbild erhalten. Fahren Sie auf diese Weise mit den anderen Objek- ten und den anderen Effekten fohrt. Die "Farbmodell"-Parameter: <intEnsit.>: Ist dieser Button selektiert, dann werden alle Ob- jekte nach dem Intensit„tenmodell schattiert. Daraus folgt, daž die endgltige Schattierungsfarbe nur von dem Farbsatz abh„ngt, dem das Objekt zugeh”rt. Welche Farbe aus diesem Farbsatz zur Schattierung des Punktes benutzt wird, h„ngt dann von der fr jeden Punkt er- rechneten Lichtintensit„t ab. Bei den folgenden beiden M”glichkeiten wird jeder Punkt im Realfarben-Modus berechnet. Das heižt, daž alle Farbanteile von Objekten, Licht, Reflektionen, etc., in die Rechnung mit- einbezogen und ein reeller Farbwert ausgerechnet wird. Die passende Farbe zu diesem Wert wird dann mit einer der beiden folgenden M”glichkeiten ausgesucht: 1. <taBelle>: Es ist immer eine gut sortierte Farbpalette im Programmspeicher enthalten. Der zu dem berechneten Farb- wert am besten passende Farbwert der Palette wird zur Schattierung benutzt. Durch zus„tzliches Einschalten des <ord. ditH.>-Buttons lassen sich auf diese Weise sehr gute Ergebnisse erzielen. Der Vorteil dieses Algorithmus liegt in seiner sehr schnellen Berechnungszeit. 2. <rEal>: Fr jeden berechneten Farbwert des Bildes wird ein entsprechender Wert in die Farbtabelle bernommen, bis alle Paletteneintr„ge aufgebraucht sind. Danach wird fr jede neue Farbe, die „hnlichste Farbe in der Palette gesucht. Fr diese beiden Farben wird dann ein Mittelwert gebildet und dieser dann als neuer Farbwert in die Palette eingetragen. Vorteil: Bei einer ausreichenden Anzahl von Farben (mind. 256) haben Sie immer eine optimal an das Bild angepažte Farbpalette. Nachteil: Aufwendig und Rechenintensiv durch st„ndiges Auf- arbeitung der Farbtabelle. Kein Farbdithering. Bei dieser Vorgehensweise sind die Vorr„te an Farben schnell ersch”pft. Es wird daher empfohlen, diesen Modus nur einzu- schalten, wenn mindestens 256 Farben zur Verfgung stehen oder wenn Sie ein Bild im "True Color"-Modus berechnen wollen. <ord. ditH.>: Dieser Schalter kann die Darstellungsqualit„t von Bildern noch einmal entscheident verbessern, vor allem wenn Sie nur ber wenig Farben verfgen. Dabei werden genau wie im Monochrommodus vordefinierte Muster (16) benutzt um unterschiedliche Intensit„tsstufen zu simulieren. Diesmal werden allerdings dicht nebeneinander liegende Farben zur Musterbildung benutzt, so daž die Pallet- te der Schattierungen weitaus gr”žer ist. Bei nur 3 Rotschat- tierungen k”nnen so bis zu (3*16)+1=49 Zwischenschattierun- gen simuliert werden. Dieser "Ordered Dithering"-Prozess kann, mit Ausnahme der Farbzuweisung im <rEal>-Farbmodus, bei allen <gLeichm„- žig> schattierten Darstellungen eingeschaltet werden. Da im "True Color"-Modus zu berechnende Bilder nur in 16 Graustufen (bzw. 240 gedithered) angezeigt werden, wenn Ihr Monitor nur 16 Farben gleichzeitig darstellen kann, ist es vielleicht ratsam folgendermažen vorzugehen, um die Farbge- bung im fertigen Bild, daž ja mit 16.Millionen Farben gesi- chert wird, einigermažen vorhersagen zu k”nnen. Wenn Sie einem Objekt eine Farbe zugewiesen haben, so schalten Sie erst einmal alle anderen andersfarbigen Objekte aus. Lassen Sie dieses Objekt jetzt im "Realfarben"-Modus berechnen. Dazu drfte der "Tiefensort"-Algorithmus v”llig ausreichen. Die Farben werden jetzt reell berechnet bis alle 16 Farben vergeben sind. Jede neu hinzukommende Farbe wird jetzt mit den schon berechneten verglichen. Dann wird aus der neuen und der Farbe, die dieser am „hnlichsten ist, eine neue Farbe berechnet und die alte durch diese ersetzt. Sie k”nnen das direkt w„hrend der Berechnung beobachten. Auf diese Weise k”nnen Sie selbst mit nur 16 Farben einen Eindruck von der Schattierung eines Objektes erhalten. Schalten Sie danach das Objekt aus und die Objekte ein, die eine andere Farbe haben und wiederholen Sie den Vorgang so lange, bis Sie mit den Farbzuweisungen fr alle Objekte zu- frieden sind. Danach k”nnen Sie das "Tiffany"-Bild berechnen lassen, das jetzt allerdings nur die Graustufen verwendet, um den bestm”glichen šberblick ber das zu berechnende Bild gew„hrleisten zu k”nnen. Dabei wird immer die geditherte Darstellungsweise verwendet. Bei 256 Farben werden bei der Bilddarstellung natrlich keine Graustufen, sondern die kor- rekte Farbdarstellung verwendet. N„heres zu den verschiedenen Schattierungsmodellen k”nnen Sie auch in den Kapiteln ber "Farben" und "Material & Far- ben" nachlesen. Die "Aufl”sung"-Parameter: In dieser Box k”nnen Sie unabh„ngig von dem Ausgabefenster die Aufl”sung bestimmen, mit der das Bild errechnet werden soll. Die maximale Aufl”sung ist dabei von der Aufl”sung ihres Bildschirmes abh„ngig. Die Untergrenze ist mit 50*50 Punk- ten festgelegt worden. Der <X>-Parameter steht dabei fr die horizontale Anzahl an Bildschirmpunkten und der <Y>-Para- meter fr die vertikalen Bildpunkte. Mit dem <fensTer>-Button stellen Sie die Bildgr”že automa- tisch auf die momentane Gr”že des Ausgabefensters ein. šber den <OK>-Button k”nnen Sie das "Kamera-Modus"-Me- n wieder verlassen.