Integration von 3D-Visualisierungstechniken in 2D-Grafiksystemen

Kapitel 3. Realisierung
3.2.2.2. Rendering mit Framebu er Objekten
Um das Rendering von dem verwendeten OpenGL-Zeichenbereichs unabhängig zu
machen, und hiermit sowohl O screen Rendering als auch Rendering in existierenden
Fenstern zu ermöglichen, arbeiten die im folgenden Abschnitt beschriebenen Methoden
zur Rasterisierung auf Framebu er Objekten. Dies hat im Falle eines bereits
existierenden OpenGL-Kontextes die Vorteile, dass der Standard-Framebu er nicht
manipuliert wird und der verwendete Framebu er so stets eine feste Größe hat. Weiterführende
Informationen zur Erstellung und Verwendung von Framebu er Objekten
sind in [15, Abschnitt 3.1.2] zu finden.
3.2.2.3. Erstellung von Rastergrafiken mit OpenGL
OpenGL ist von Konzepten wie einer Szene unabhängig. Im Gegensatz zu Raytracern
wie POV-Ray stehen bei OpenGL keine „Lichtstrahlen“ im Vordergrund, sondern die
einzelnen geometrischen Primitiven. Vereinfacht gesagt, wird für jedes Dreieck bestimmt,
welche Pixel es im Bild einnimmt, und diese werden, wenn sie nicht bereits
durch näher an der Kamera liegende Primitiven gesetzt wurden, den Eigenschaften
des Dreiecks gemäß eingefärbt. Die Interpretation dieser Dreiecke als Oberflächen
dreidimensionaler Körper ist dem Nutzer von OpenGL überlassen. Dieser wird dennoch
dabei unterstützt, Gruppen von Dreiecken als zusammenhängende Körper zu
betrachten, da es Funktionen gibt, welche auf mehreren Dreiecken arbeiten (z. B.
transformieren oder zeichnen). Diese werden dazu verwendet, die einzelnen Körper
der Szene zu beschreiben und zu zeichnen.
Wie einleitend beschrieben, gibt es zwei Varianten der OpenGL-Rasterisierungs-
Pipeline. Im Folgenden wird beschrieben, wie die Shader-basierte Pipeline (siehe Abbildung
3.5) genutzt wurde, um eine Rastergrafik zu erzeugen. Die realisierte Funktionalität
ist mit der Fixed-Function-Pipeline ebenfalls umsetzbar und wurde aus
Gründen der Abwärtskompatibilität auch als Teil von GR3 implementiert.
Die mit den Funktionen der Szenenverwaltung erstellten Dreiecksgitter werden in
OpenGL als Vertex Bu er Objekte behandelt. Dies sind Bereiche des Grafikkartenspeichers,
in welche die Daten der einzelnen Vertices geschrieben werden. Für jeden
Vertex müssen dessen Position, Oberflächennormale und Farbe gespeichert werden.
Sie werden als float gespeichert, sodass ein Vertex insgesamt 36 Byte Speicher benötigt.
Die Vertices eines solchen Vertex Bu er Objektes werden durch einen Aufruf der
Funktion glDrawArrays zur Eingabe der Pipeline. Dort werden sie (unter anderem)
durch den Vertex-Shader bearbeitet, und die einzelnen Pixel können dann im
Fragment-Shader eingefärbt werden.
Bei der Berechnung der Farbe eines jeden Pixels wird davon ausgegangen, dass die
Oberfläche ideal di us ist, das heißt, dass sie das einfallende Licht in alle Richtungen
gleichmäßig streut. Für solche Oberflächen gilt das Lambert’sche Gesetz, welches die
Intensität des reflektierten Lichts abhängig vom Winkel zwischen den einfallenden
Lichtstrahlen und der Oberflächennormalen beschreibt (s. Abb. 3.6). Für diesen Win-
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