Interaktive Visualisierung der Speziellen Relativitätstheorie auf ...

Eingabe
3D-Primitive,
Licht, usw.
1. Stufe
Geometrie
2. Stufe
Clipping
3. Stufe
Rasterung
4. Stufe
Texturen
5.Stufe
Pixel Operationen
Ausgabe
Frame-Buffer
Vertex-Shader
Fragment-/Pixel-Shader
Abbildung 1: Rendering Pipeline
2 Programmierbare Grafikhardware
Die Grafikhardware entwickelt sich derzeit, insbesondere durch die hohen Anforderungen
von 3D-Spiele, derart rasant, dass ihre Leistung schneller zunimmt
als die Leistung der CPUs. Neben der immer höheren Performance ist die aktuelle
Grafikhardware teilweise programmierbar. Dies bietet 3D-Spielen nicht nur
erhöhte Flexibilität, sondern ermöglicht auch die Lösung von Problemen direkt
auf der Grafikhardware, welche zuvor auf der CPU gelöst werden mussten.
Insbesondere bei parallelisierbaren Problemen führt dies nicht nur zur Entlastung
der CPU, sondern zudem zu einem Performancegewinn. Betrachtet man
diese Leistungsfähigkeit im Zusammenhang mit dem Preis, so zeigt sich, dass
die aktuelle Grafikhardware für viele Probleme eine preiswerte Alternative zu
Mehrprozessorsystemen darstellt.
Innerhalb der Rendering Pipeline aktueller Grafikhardware gibt es hauptsächlich
zwei programmierbare Einheiten: Zum einen den sogenannten Vertex Shader
und zum anderen den Fragment- bzw. Pixel Shader. Soweit es für das Verständnis
dieser Arbeit erforderlich ist, werden diese Komponenten im folgenden
genauer vorgestellt werden.
2.1 Rendering Pipeline
Die Rendering Pipeline beschreibt die Umwandlung der 3D-Modelldaten in ein
zweidimensionales Bild. Dabei dient die Ausgabe einer Stufe der Pipeline als
Eingabe für die nächste Stufe. Mit Hilfe der Rendering Pipeline lässt sich gut
darstellen, an welchen Stellen der Bilderzeugung der Vertex Shader und der
Pixel Shader Einfluss nehmen.
In der ersten Stufe der Rendering Pipeline werden die dreidimensionalen Szenendaten
durch verschiedene Koordinatentransformationen in eine zweidimensionale
Projektion umgewandelt (siehe Abbildung 1). In der Regel werden an dieser
Stelle auch die Beleuchtungseffekte berechnet. Auf aktueller Grafikhardware ist
die erste Stufe, in Form von Vertex Shader Programmen, frei programmierbar.
Die zweite und dritte Stufe sind das Clipping und die Rasterung (siehe Abbildung
1). Beim Clipping werden nicht darzustellende Bereiche (z.B. Bereiche
außerhalb des angezeigten Fensters) entfernt und somit nicht an die nächste
Stufe weitergeleitet. Bei der Rasterung werden die verschiedenen Daten mit
einzelnen Pixeln verknüpft.
Die letzten beiden Stufen (vier und fünf) dienen zur Ermittlung des endgültigen
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