Dreidimensionale Computergrafik: Erkundung der Schnittstelle zwischen Vision und virtuellen Welten

Von Fouad Sabry

Was ist dreidimensionale Computergrafik

3D-Computergrafiken, manchmal auch CGI, 3-D-CGI oder dreidimensionale Computergrafiken genannt, sind Grafiken, die eine dreidimensionale Computergrafik verwenden. dimensionale Darstellung geometrischer Daten, die im Computer gespeichert werden, um Berechnungen durchzuführen und digitale Bilder wiederzugeben, normalerweise 2D-Bilder, manchmal aber auch 3D-Bilder. Die resultierenden Bilder können zur späteren Betrachtung gespeichert oder in Echtzeit angezeigt werden.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu Folgendem Themen:

Kapitel 1: 3D-Computergrafik

Kapitel 2: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 3: Computeranimation

Kapitel 4: Vektorgrafiken

Kapitel 5: Voxel

Kapitel 6: Wissenschaftliche Visualisierung

Kapitel 7: Echtzeit-Computergrafik

Kapitel 8: Computergrafik (Informatik)

Kapitel 9: 3D-Modellierung

Kapitel 10: Computergenerierte Bilder

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu dreidimensionale Computergrafiken.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung dreidimensionaler Computergrafiken in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von dreidimensionaler Computergrafik hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 4. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Erweitertes Projektionsmodell

Ein Aspekt, der manchmal in Virtual-Reality-Systemen verwendet wird, wird als Projection Augmented Model (PA-Modell) bezeichnet. Ein Computerbild wird auf ein physisches dreidimensionales Modell projiziert, um ein Objekt zu erzeugen, das realistisch erscheint. Dieses Modell ist das, was das System ausmacht. Es ist wichtig zu beachten, dass die geometrische Form des Elements, das vom PA-Modell dargestellt wird, mit der des physischen Modells identisch ist.

Virtuelle Gegenstände können direkt in der tatsächlichen Umgebung des Benutzers gerendert oder überlagert werden, wenn räumliche Augmented Reality, auch bekannt als SAR, verwendet wird. Die Tatsache, dass der Nutzer kein Head-Mounted-Display aufsetzen muss, ist ein wesentlicher Vorteil, den SAR bietet. Stattdessen ermöglicht der Einsatz von räumlichen Darstellungen ein breites Sichtfeld und die potenzielle Integration von hochauflösenden Bildern virtueller Objekte direkt in die Umgebung. Zum Beispiel können die virtuellen Dinge durch den Einsatz von digitalen Lichtprojektoren zum Leben erweckt werden, um 2D- und 3D-Bilder auf reale Oberflächen zu malen, oder durch die Verwendung von eingebauten Flachbildschirmen.

Reale Dinge können physisch angefasst und organisch manipuliert werden, um aus jeder Richtung beobachtet zu werden, was für die ergonomische Beurteilung von entscheidender Bedeutung ist und ein starkes Gefühl der Tastbarkeit erzeugt. Reale Objekte haben zudem den Vorteil, dass sie aus jedem Blickwinkel betrachtet werden können.

Augmented Reality und Tangible User Interfaces (TUIs) sind zwei Ansätze, die entwickelt werden, um dieses Problem zu lösen. Reale Gegenstände werden in TUI-Systemen verwendet, um Informationen, die von Computern erstellt wurden, nicht nur darzustellen, sondern auch mit ihnen zu interagieren (Abbildung 1). Trotz der Tatsache, dass TUIs eine physische Verbindung zwischen realen und computergenerierten Gegenständen herstellen, erzeugen sie nicht die Illusion, dass die computergenerierten Objekte tatsächlich in der tatsächlichen Umgebung des Benutzers vorhanden sind. Das ist das Ziel, das Augmented Reality erreichen soll.

Abbildung 1 zeigt ein Kontinuum innovativer Computerschnittstellen, die auf den Arbeiten von Milgram und Kishino (1994) basieren.

Der Unterschied zwischen Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) besteht darin, dass VR den Benutzer vollständig in eine computergenerierte Umgebung eintauchen lässt, während AR reale und virtuelle Welten vermischt, indem es die Illusion vermittelt, dass computergenerierte Objekte tatsächlich reale Objekte in der Umgebung eines Benutzers sind. Virtual Reality (VR) ist der gebräuchlichere Begriff. Solche Systeme ermöglichen die dynamische Veränderung des computergenerierten visuellen Erscheinungsbilds des Objekts, während das physische Modell haptisches Feedback für die zugrunde liegende Form des Objekts bietet. Diese Eingabe wird vom physikalischen Modell bereitgestellt. Aufgrund der Tatsache, dass Benutzer von Head-Mounted-Display-basierten Systemen Geräte tragen müssen, ist die Anzahl der Personen, die das Display gleichzeitig nutzen können, jedoch begrenzt.

Das AR-Paradigma hat eine Variante, die als räumliche Augmented Reality bezeichnet wird und diese Einschränkungen nicht aufweist und daher nützlicher ist (Abbildung 1). Das projektionsunterstützte Modell ist die natürlichste Art des Display-Setups, es gibt jedoch verschiedene andere denkbare Display-Konfigurationen.

Abbildung 2: Konzeptualisierung des Projection Augmented-Modells

Ein projektionserweitertes Modell (PA-Modell) ist ein physisches dreidimensionales Modell, auf das ein Computerbild projiziert wird, um ein realistisch erscheinendes Objekt zu erzeugen. Ein solches Modell wird als Augmented Reality bezeichnet (Abbildung 2). Es ist wichtig zu beachten, dass die geometrische Form des vom PA-Modell gezeigten Objekts mit der des physikalischen Modells identisch ist. Das Bild, das auf die in Abbildung 3 gezeigten Elemente projiziert wird, verleiht ihnen beispielsweise Farbe und visuelle Textur, was den Eindruck erweckt, dass sie aus einer Vielzahl von Materialien bestehen.

Abbildung 3 zeigt ein Modell, das die Projektionserweiterung (Einschub - mit ausgeschalteter Projektion) verwendet.

PA-Modelle nutzen eine einzigartige Mischung aus realen Gegenständen und Informationen, die von einem Computer bereitgestellt werden, da sie von beiden profitieren.

"Die menschliche Schnittstelle zu einem physischen Modell ist die Essenz von 'intuitiv'.

Es gibt keine Widgets, die angepasst werden müssen, keine Schieberegler zum Verschieben, außerdem gibt es keine Exponate zum Stöbern (oder Tragen).

Stattdessen navigieren wir um die verschiedenen Elemente herum, bewegen uns hinein und heraus, zoomen hinein und heraus, starren auf mehrere faszinierende Aspekte und konzentrieren uns auf sie, alles auf einem ziemlich hohen Niveau an visueller, räumlicher und zeitlicher Genauigkeit."

Das hohe Maß an Intuitivität, das in physikalischen Modellen zu sehen ist, wird mit der Anpassungsfähigkeit und Nützlichkeit von Computergrafiken in PA-Modellen kombiniert, wie z. B. die Fähigkeit, Änderungen schnell vorzunehmen, zu animieren, zu erhalten und auf den neuesten Stand zu bringen (Jacucci, Oulasvirta, Psik, Salovaara & Wagner, 2005).

So bietet ein PA-Modell in seinem grundlegendsten Sinne einem computergenerierten Gegenstand den Anschein, eine reale Form zu haben, es kann vom Benutzer ohne weitere Ausrüstung gefühlt und gehalten werden.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass Nutzerstudien, in denen PA-Modelle mit verschiedenen Virtual- und Augmented-Reality-Displays verglichen wurden, PA-Modelle als eine Art von Präsentation empfanden, die sowohl natürlich als auch leicht verständlich war (Nam & Lee, 2003; Stevens et al., 2002).

Die Idee hinter dem PA-Modell ist jedoch nicht originell.

Tatsächlich entstand eines der ersten PA-Modelle vor über zwanzig Jahren, als Naimark die Kunstinstallation Displacements (Naimark, 1984) und in jüngerer Zeit die Attraktion Haunted Mansion in Disney World (Liljegren & Foster, 1990) baute.

Denn die Technologie, die nötig war, um aus einem PA-Modell mehr als ein ästhetisches Statement zu machen, war damals noch nicht verfügbar.

Angesichts der heute verfügbaren Technologie und ein wenig uneingeschränkter Vorstellungskraft ist die Erforschung neuartiger Projektionsdisplays heute jedoch potenziell grenzenlos.

Das Wachstum der PA-Modelltechnologie wurde durch die kürzliche Nachbildung von Naimarks Displacements-Installation auf der SIGGRAPH (Displacements, 2005) gekennzeichnet.

Insbesondere wurden in jüngster Zeit Fortschritte bei der Entwicklung von Technologien erzielt, die den Prozess der Erstellung des physischen Modells und seiner Ausrichtung auf das projizierte Bild halbautomatisieren.

Dies ist mit einer Reihe von Projektoren kompatibel, wodurch es möglich ist, ein PA-Modell aus jedem Winkel zu beleuchten.

Darüber hinaus ist es möglich, ein PA-Modell in einem Raum mit ausreichender Beleuchtung zu platzieren, indem ein leistungsstarker Projektor mit einer Leistung zwischen 2.000 und 3.000 Lumen verwendet wird (Nam), 2005; Umemoro, Keller & Stappers, 2003).

Trotz der Tatsache, dass diese Technologie PA-Modelle weniger praktisch macht als andere Arten von Displays, haben sie dennoch ihren Nutzen, es geht nicht auf den Hauptzweck der Übung ein.

Der Zweck eines PA-Modells ist es, den Eindruck zu erwecken, dass es das ist, was es darstellt, auch wenn es es nicht ist.

Wenn es zum Beispiel auf den Prozess des Produktdesigns angewendet wird, ist es wichtig, dass ein PA-Modell das beruhigende Gefühl vermittelt, wirklich das Endprodukt zu sein (Nam), 2006; Saakes, 2006; Verlinden, Horváth & Edelenbos, 2006; Keller & Stappers, 2001).

In ähnlicher Weise besteht der Zweck eines PA-Modells, wenn es zum Zweck der Herstellung einer Kopie eines Artefakts zum Zwecke der Ausstellung in einem Museum verwendet wird, laut Hirooka und Satio, darin, den Eindruck zu erwecken, dass es sich um das tatsächliche Artefakt handelt, 2006; Senckenberg Museum, 2006; Bimber, Gatesy, Witmer, Raskar & Encarnacao, 2002; British Museum in London, 1999).

Diese optische Täuschung wurde jedoch in keiner der bisherigen Studien direkt thematisiert.

Daher definiert diese Arbeit die 'Projection Augmented Model Illusion' als die Situation, in der ein PA-Modell tatsächlich als das Objekt wahrgenommen wird, das es abbildet.

Wenn ein Benutzer beispielsweise das in Abbildung 3 gezeigte PA-Modell als aus echten Ziegeln zusammengesetzt visualisiert, erlebt er diese Illusion, Blumentöpfe sowie Holzsplitter anstelle von weißen Modellen, auf die ein Bild projiziert wird.

Bei diesem Trick geht es jedoch nicht darum, die Person, die ihn ausführt, zu täuschen. Es ist nicht sein grundlegender Zweck.

Eine Person kann die Erfahrung machen, ein PA-Modell als das darzustellen, was es darstellt, obwohl sie sich bewusst ist, dass es nur eine weiße Figur und ein projiziertes Bild ist.

Mit anderen Worten, die Technologie wurde entwickelt, um die Authentizität des PA-Modells zu erhöhen, was bedeutet, dass die physische Ähnlichkeit zwischen dem PA-Modell und dem Ding, das es beschreibt, erhöht wurde. Diese Illusion wurde durch die Entwicklung dieser Technologie verbessert. Beispielsweise kann die Art und Weise, wie sich die Glanzlichter auf einem Objekt verschieben, wenn der Betrachter seine Position ändert, dynamisch nachgebildet werden. Diese Art der Simulation ist aufgrund von Fortschritten in der Computergrafik möglich. Aus diesem Grund kann ein PA-Modell den Eindruck erwecken, dass es aus einer Vielzahl verschiedener Materialien besteht. Zum Beispiel könnte eine Vase aus stumpfem Ton den Eindruck