Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007 computer graphics & visualization Non-Photorealistic...
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Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering
Eine EinführungEine Einführung
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 22
Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering
1. Begriffserklärung1. Begriffserklärung
2. Ziele2. Ziele
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
4. Techniken4. Techniken4.1 Überblick4.1 Überblick
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
4.5 Screening4.5 Screening
4.6 Stippling4.6 Stippling
5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 33
1.Begriffserklärung1.BegriffserklärungDefinition „Non Photorealistic Rendering“:Definition „Non Photorealistic Rendering“:
Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch sind.sind.
Definition „nicht photorealistische Bilder“Definition „nicht photorealistische Bilder“ (nach Masuch): (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.
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1. Begriffserklärung1. Begriffserklärung
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 66
1. Begriffserklärung 1. Begriffserklärung
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 77
Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering
1.1. BegriffserklärungBegriffserklärung
2. Ziele2. Ziele
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
4. Techniken4. Techniken4.1 Überblick4.1 Überblick
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
4.5 Screening4.5 Screening
4.6 Stippling4.6 Stippling
5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
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2. Ziele2. Ziele
Im wesentlichen 2 wichtige Ziele:Im wesentlichen 2 wichtige Ziele:
•Vermittlung bestimmter Informationen Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…)Hervorhebungen, Abstraktion…)
•künstlerische, kreative Bilder erzeugenkünstlerische, kreative Bilder erzeugen
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2. Ziele2. ZieleNachteile photorealistischer Bilder:Nachteile photorealistischer Bilder:
• Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen)Illustrationen)
• Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst)Kunst)
• Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen) Anwendungen)
• Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig InterpretationsmöglichkeitenInterpretationsmöglichkeiten
„„Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Cassidy CurtisCassidy Curtis
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1010
Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering
1.1. BegriffserklärungBegriffserklärung
2. Ziele2. Ziele
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
4. Techniken4. Techniken4.1 Überblick4.1 Überblick
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
4.5 Screening4.5 Screening
4.6 Stippling4.6 Stippling
5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1111
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
Kunst Kunst
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1212
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
Comics/ CartoonsComics/ Cartoons
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3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
ArchitekturArchitektur
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1414
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
KartographieKartographie
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1515
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
MedizinMedizin
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 1616
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
TechnikTechnik
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3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
ArchäologieArchäologie
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Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering
1.1. BegriffserklärungBegriffserklärung
2. Ziele2. Ziele
3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete
4. Techniken4. Techniken4.1 Überblick4.1 Überblick
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
4.5 Screening4.5 Screening
4.6 Stippling4.6 Stippling
5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
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4.1 Überblick4.1 ÜberblickEinordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien:Einordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien:
• A. Maß an InteraktionA. Maß an Interaktion• interaktiv (künstlerisch)interaktiv (künstlerisch) automatisch automatisch
• B. EingabeB. Eingabe• 3D Szenen3D Szenen• 2D Bilder2D Bilder• 2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen)2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen)• Benuzereingaben in ein MalsystemBenuzereingaben in ein Malsystem
• C. Art des AlgorithmusC. Art des Algorithmus• Objektraum-AlgorithmusObjektraum-Algorithmus• Bildraum-AlgorithmusBildraum-Algorithmus
• D. AusgabeD. Ausgabe• Cartoon (-> Toon Shading)Cartoon (-> Toon Shading)• Skizze (-> Computer Sketching)Skizze (-> Computer Sketching)• Punktzeichnung (-> Stippling)Punktzeichnung (-> Stippling)• Aquarell…Aquarell…
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2020
4.1 Grundlagen4.1 GrundlagenObjektraum-AlgorithmenObjektraum-Algorithmen Bildraum-AlgorithmenBildraum-Algorithmen
Arbeiten im 3 Dimensionalen Raum
Arbeiten im 2 Dimensionalen Raum
Geometrische DatenverarbeitungGeometrische Datenverarbeitung BildverarbeitungBildverarbeitung
Arbeiten auf der Ebene der Objekte, mit der Genauigkeit ihrer Definition
Die Genauigkeit der Berechnung entspricht der Bildschirmauflösung
Pseudocode: Pseudocode:
„„for each Object do…“for each Object do…“Pseudocode:„for each Pixel do…“
Skalierungen/ Drehungen erfordern keine erneute Berechnung
Skalierungen/ Drehungen erfordern eine erneute Berechnung ( keine Frame-Kohärenz, „Shower Door Effekt“)
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2121
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
Toon Shading:
Eine Rendering Technik, die verwendet wird um den 2D Effekt von Cartoons zu erzeugen
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2222
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
Charakteristika:Charakteristika:• große Farbflächen mit maximal 3 große Farbflächen mit maximal 3
SchattierungsstufenSchattierungsstufen• SilhouettenSilhouetten• einfache Gestaltungeinfache Gestaltung• Beschränkung auf wichtige Beschränkung auf wichtige
ElementeElemente
Motivation:Motivation:
„„Einfache“ Erstellung von Cartoons/ ZeichentrickfilmenEinfache“ Erstellung von Cartoons/ Zeichentrickfilmen
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4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum):Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum):
• Für jede Farbe 2-3 Abstufungen Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe)(Licht-/ Schattenfarbe)
• Jedem Polygon wird eine Farbe Jedem Polygon wird eine Farbe zugeordnetzugeordnet
• Zuordnung der richtigen Zuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle Lzur Lichtquelle L
1D Textur1D Textur
OberflächeOberfläche
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2424
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
Silhouetten (Bildraumverfahren)Silhouetten (Bildraumverfahren)
• Tiefenkarte extrahierenTiefenkarte extrahieren• Kantenerkennung darauf Kantenerkennung darauf
anwendenanwenden
• Normalenkarte erstellenNormalenkarte erstellen• Kantenerkennung Kantenerkennung
darauf anwendendarauf anwenden
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2525
4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading
Kombinieren der beiden Ergebnisse:Kombinieren der beiden Ergebnisse:
Anwendung auch bei technischen IllustrationenAnwendung auch bei technischen Illustrationen::
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2626
4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching
Computer Sketching:Computer Sketching:
Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die aussehen wie handgezeichnete Skizzenaussehen wie handgezeichnete Skizzen
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4.3 Computer Sketching4.3 Computer SketchingMotivation:Motivation:
• Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentieren präsentieren (Anwendung z.B. in der Architektur)(Anwendung z.B. in der Architektur)
• Exakte Darstellung wirkt oft sehr sterilExakte Darstellung wirkt oft sehr steril
Mögliche Verfahren:Mögliche Verfahren:a.a.Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der
Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter)Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter)b.b.Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum)Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum)c.c.Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum)Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum)
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4.3 Computer Sketching4.3 Computer SketchingObjektraum-Verfahren:Objektraum-Verfahren:
• Linien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzenLinien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzen
• Linien spaltenLinien spalten
• Mittelpunkte der Linien verschiebenMittelpunkte der Linien verschieben
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 2929
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
Halftoning (Halbton-Verfahren): Halftoning (Halbton-Verfahren):
Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich kontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farbenkontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farben
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4.4 Halftoning4.4 Halftoning
• Problem: Problem:
Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker konnten nur Schwarz-Weiß druckenkonnten nur Schwarz-Weiß drucken
• Ziel: Ziel:
Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder möglichst hoher Qualität erzeugenmöglichst hoher Qualität erzeugen
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3131
4.4 Halftoning4.4 HalftoningVerfahren:Verfahren:
• Eingabe: GraustufenbildEingabe: Graustufenbild
• Zusammenfassen von Pixeln zu PixelgruppenZusammenfassen von Pixeln zu Pixelgruppen
• Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im GraustufenbildPixelgruppen im Graustufenbild
• Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß-Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß-Muster (gespeichert in einer Matrix)Muster (gespeichert in einer Matrix)
22 99 44
66 11 88
77 33 55
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3232
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
Ausnutzen der Auflösung des Menschlichen AugesAusnutzen der Auflösung des Menschlichen Auges
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3333
4.4 Halftoning4.4 Halftoning
Beispiel:Beispiel:
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3535
4.5 Screening4.5 Screening
- BildBild Screening:Screening:
Variante des Halftonings bei der Variante des Halftonings bei der der Benutzer mehr Kontrolle der Benutzer mehr Kontrolle über die entstehenden Muster über die entstehenden Muster erhälterhält
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3636
4.5 Screening4.5 Screening
Vorgehen:Vorgehen:
• Eingabe: Eingabe: • Graustufenbild SGraustufenbild S
• Graustufenbild eines Musters MGraustufenbild eines Musters M
• Muster zyklisch auf Bildgröße erweiternMuster zyklisch auf Bildgröße erweitern
• Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (IGraustufenbild S (ISS(p)) mit dem entsprechenden (p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (IPixel in M (IMM(p))(p))
• IISS(p) > I(p) > IMM(p) (p) Pixel wird gesetzt, sonst nicht Pixel wird gesetzt, sonst nicht
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3737
4.5 Screening4.5 Screening
Screening mit TextenScreening mit Texten
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3838
4.6 Stippling4.6 Stippling
Stippling (Punktierung): Stippling (Punktierung):
Das Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellenDas Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellen
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 3939
4.6 Stippling4.6 Stippling• Motivation:Motivation:
• Liefert sehr klare IllustrationenLiefert sehr klare Illustrationen
• Anfertigung per Hand extrem aufwändigAnfertigung per Hand extrem aufwändig
• Anwendung: Anwendung: • Bei wissenschaftlichen und technischen IllustrationenBei wissenschaftlichen und technischen Illustrationen
• Als KunstformAls Kunstform
• In PrintmedienIn Printmedien
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4040
4.6 Stippling4.6 Stippling
Charakteristika:Charakteristika:• Punkte simulieren Ton und Punkte simulieren Ton und
TexturTextur• Gleichmäßige Gleichmäßige
Punkteverteilung (i.d.R. Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster)ohne Muster)
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4141
4.6 Stippling4.6 Stippling
Lösungsansatz (im Objektraum):Lösungsansatz (im Objektraum):
• Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4242
4.6 Stippling4.6 Stippling
• Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbaranderer Stich-Texturen erzielbar
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4343
4.6 Stippling4.6 Stippling
computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization
Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4444
5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
• Noch viele weitere mögliche TechnikenNoch viele weitere mögliche Techniken
• Bei weiterem Interesse:Bei weiterem Interesse:• „„Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas
Strothotte, Stefan Schlechtweg)Strothotte, Stefan Schlechtweg)
• http://www.red3d.com/cwr/npr/http://www.red3d.com/cwr/npr/
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Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 4545
EndeEnde
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!