Interaktive Simulation am Beispiel einer ... - Baumaschine.de

5. Fachtagung Baumaschinentechnik 2012 Technische Universität Dresden
5 Abbildung des Spritzbetons
Der Prozess Betonsprühen mit einer Betonspritzmaschine lässt sich im Sinne der Computergrafik
sehr gut mit der Projektion einer Sprühmaske (Querschnitt am Ende des Sprühstrahls)
auf eine Oberfläche beschreiben. Eine solche Projektion gehört zu den grundlegenden
Problemstellungen in der Computergrafik und wird mittlerweile völlig auf spezieller
Grafik-Hardware umgesetzt. Dies bringt einen sehr hohen Grad an Parallelisierung mit
sich und somit auch eine sehr hohe Performance.
Die Projektion der 3D-Daten auf den Bildschirm ist wohl die bekannteste und häufigste
Transformation, welche durch die Grafik-Hardware realisiert wird. Daraus lässt sich eine
hardwarebasierte Lösung für das Visualisieren des Prozesses Betonsprühen ableiten,
welche auf moderner Hardware zu einer sehr guten Performance führt. Die Umsetzung
zweier wesentlicher Schritte ist für die Darstellung des Prozesses notwendig:
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- Projection Mapping: Die Sprühmaskentextur muss auf die Textur der Oberfläche
projiziert werden.
- Render-To-Textur: Eine neue Oberflächentextur mit den projizierten Daten muss
erzeugt werden.
Beide Schritte lassen sich ohne hohen Aufwand in ein vorhandenes Framework mittels
GLSL-Shadern (Model 2.0) integrieren. Gegeben sei eine Oberfläche O mit einem vordefinierten
Mapping für die Oberflächentextur T. Das Projection Mapping liefert ein Mapping
der Oberfläche O auf die Sprühmaskentextur B. Die Formel (Gleichung 2) erinnert dabei
stark an die Standardtransformation vom 3D-Koordinatensystem in das Bildschirmkoordinatensystem.
T N P V
(2)
V entspricht der View Matrix der Spritzdüse, P entspricht der Projektionsmatrix und wird
durch den Öffnungswinkel der Düse beschrieben und N ist eine Normalisierungsmatrix,
welche die Werte vom Bereich [-1,1] in den Bereich [0,1] transformiert. In der klassischen
Bildschirmtransformationspipeline wird jeder Punkt der Geometrie (Vertex) transformiert
und an die nächste Verarbeitungseinheit (Rasterisierer) in der Grafikpipeline übergeben.
Um das Mapping B -> T zu realisieren, darf jedoch nicht der transformierte Vertex übergeben
werden, sondern ausschließlich die zweidimensionale Texturkoordinate, welche die
Position auf der Oberflächentextur beschreibt. Erst mit dieser Modifikation ist ein solches
Mapping auf der Grafikhardware möglich.
Moderne Grafikhardware unterstützt nicht mehr nur das Rendern in den Framebuffer,
sondern zudem auch das Rendern in beliebige Puffer, die dann als Texturen interpretiert
werden können. OpenGL bietet beispielsweise Framebuffer Objects an, um diese Funktionalität
komfortabel umzusetzen. Nach der Übergabe der Texturkoordinate an den Rasterisierer
in der Grafikpipeline lässt sich nun eine neue Basistextur erzeugen. Die Farbinformationen
werden nun aus der Oberflächentextur übernommen und mit der Sprühmaskentextur
gemischt.