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3D-VISUALISIERUNG UND -ANIMATION UWE MUTZ Univ.-Lektor Ing. MSc MAS

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3D-VISUALISIERUNG UND -ANIMATION

UWE MUTZ!Univ.-Lektor Ing. MSc MAS

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ZUR PERSON UWE MUTZ

  HTL für Nachrichtentechnik und Elektronik   Studium Technische Physik in Linz und Edinburgh/Schottland   Postgraduales Studium New Media Management an der Universität Krems   Dzt. Doktoratsstudium im Bereich HCI an der Universität Linz   Geschäftsführender Gesellschafter der SYNE Marketing & Consulting GmbH (vormals creativa,

Gründung 1996)

  Buchautor im Multimedia- und Usability-Bereich (Verlage SmartBooks, Galileo und Addison Wesley)

  Lektor an der Universität Krems, Fachhochschule Hagenberg und WIFI Österreich (seit 1996)   Lehrauftrag an der Pädagogischen Hochschule Linz   „Trainer des Jahres 2004“ in der Erwachsenenbildung   Initiator des ersten österreichischen Web-Entwickler Forums   Mitglied der österreichischen Computergesellschaft und Mitarbeit im Arbeitskreis „HCI & Usability

Engineering“

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MOTIVATION

 Warum 3D?  Unterschied zwischen „3D-Visualisierung“ und „3D-

Animation“  3D-Visualisierung:

 Printwerbung  Logo-Entwicklung  Nachbilden der „realen Welt“ (statisch)  Etc.

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MOTIVATION

 3D-Animation:  Film  Fernsehen  Web  Spiele  Etc.

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3D-GRUNDLAGEN

 Unterscheidung „3D-Visualisierung“, „3D-Animation“  Arbeitsschritte 3D-Visualisierung:

 Modellierung  Texturierung  Beleuchtung

 Zusätzliche Arbeitsschritte 3D-Animation:  Sound  Animation

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3D-GRUNDLAGEN

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3D-GRUNDLAGEN

 Berechnen (Rendering) ist ein eigener Teil der 3D-Arbeit:  Erfordert meist leistungsstarke Rechner (Prozessor, RAM)  Unabhängig von der Grafikkarte (diese ist bei der Modellierung

gefragt)  Passiert oft in einem externen Programm  Passiert oft in einem Netzwerk (Rechnerverbund)  Oft Rendering-Engine eines Programmes besser als die eines

anderen Programmes

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3D-GRUNDLAGEN

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3D-GRUNDLAGEN

 Gängige Programme:  Maya: State-of-the-Art:

  Hoher Einarbeitungsaufwand   (zumeist) beste Resultate (beste Rendering-Engine)

 3D-Studio Max:   War lange „Consumer Program“

  Stark objektorientiert   Mittlere Erlernzeit   Gute Rendering-Engine

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3D-GRUNDLAGEN

 Cinema 4D:   Einfach zu erlernen   Gute Rendering-Engine   Mittlerweile gute Referenzen (Gladiator-Tiger, King Arthur, …)

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3D-GRUNDLAGEN

 Wichtige Facts im Vorhinein:  Rendering an sich zeitintensivster Teil der Arbeit  Animation: Abfolge von Einzelbildern  Sound: wird zumeist in externe Dateien gerendert

 Realistisch wirkende Visualisierungen:  Nicht-perfekte Objekte (Gesicht, etc.)  Einarbeiten von Staub, Kratzer,.. „Umwelteinflüssen“

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3D-GRUNDLAGEN DER FAHRPLAN

 Erst planen, dann handeln  Planen mit Hilfe von:

 Skizzen, Scribbles  Modellierungstabellen

 Gefahren bei Nicht-Einhalten:  „Verschwimmen“ der Grundidee  Vergessen von Facts  Kein Gefühl für Proportionen

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3D-GRUNDLAGEN DER FAHRPLAN

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3D-GRUNDLAGEN DER FAHRPLAN

 Modellierungstabelle sollte beinhalten (Beispiel siehe Script):  Objektname  Grundobjekt / Spline & NURBS  Anmerkung zum Grundobjekt  Größe, Position  Material  Beleuchtung

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3D-GRUNDLAGEN DIE KOORDINATENSYSTEME

 Zwei Koordinatensysteme:  Weltkoordinaten: nicht dreh- oder kippbar  Objektkoordinaten: je nach Lage des Objektes

 Koordinaten:  X: typ. Breitenachse  Y: typ. Höhenachse  Z: typ. Tiefenachse

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME

 Bewegung durch Kippbarkeit des Objektkoordinatensystems (OK) unterschiedlich

 Keine Drehungen größer 360° im Weltkoordinatensystem (WK)

 Mehrfachdrehungen nur im OK

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME

 Bewegung im WK / OK bei nicht-gekipptem Objekt

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME

 Bewegung eines gekippten Objektes im WK

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME

 Bewegung eines gekippten Objektes im OK

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME > DREHWINKEL

 Heading „H“: Drehwinkel in XZ-Ebene, also um y-Achse  Pitch „P“: .. In YZ-Ebene, also um x-Achse  Bank „B“: .. In XY-Ebene, also um z-Achse

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3D-GRUNDLAGEN KOORDINATENSYSTEME > DREHWINKEL

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MODELLIERUNG

 Erster Schritt in der Visualisierung  Skizze, Modellierungsplan hilfreich für effizientes Arbeiten  Zwei Arten der Modellierung:

 Auf Basis von Grundobjekten  „Organisch“

 Warum „zwei Arten der Modellierung“? > muss geklärt werden.

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MODELLIERUNG

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MODELLIERUNG OBJEKTE DER 3D-WELT

  Objekte bestehen aus:   Knoten (Punkte, Eckpunkte)   Kanten   Segmenten / Polygonen

  Fläche: minimal drei Knoten, die mit Kanten verbunden werden.   Knoten können ohne Verbindung (Kanten) existieren   Kanten benötigen Knoten   Segmente benötigen Kanten

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MODELLIERUNG OBJEKTE DER 3D-WELT

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MODELLIERUNG OBJEKTE DER 3D-WELT > ENTFERNEN VON KNOTEN & KANTEN

 Wird aus einem Objekt ein Knoten entfernt, kann bei bis zu 3 Knoten noch eine Fläche existieren.

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MODELLIERUNG OBJEKTE DER 3D-WELT

 2D-Denkweise erweiterbar auf 3D:  3D-Objekt benötigt mind. 4

Punkte, die nicht in einer Ebene liegen

 Einfachstes Objekt: Pyramide mit dreieckiger Grundfläche (etwa ein Tetraeder)

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG

 Drei Wege der Modellierung:  Eigenhändiges Setzen von Knoten & Kanten:

  Sehr aufwändig   Bietet die meisten Möglichkeiten

 Arbeiten mit Grundobjekten:   Basierend auf dreidimensionalen Grundkörpern (Quader, Kugel, etc.)

  Ähnlich dem Konstruieren bzw. der Architektur

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG

 Arbeiten mit Splines & NURBS:   2D wird auf 3D erweitert   Geeignet für auf Grafiken / Schnitten basierende Objekte   Schnell

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > GRUNDOBJEKTE

  Bestehen ebenfalls aus Knoten & Kanten, sind jedoch „parametrisierbar“ – durch eine mathematische Funktion beschreibbar.

  Grundobjekte:  Quader (Würfel)   Ellipsoid (Kugel)   Pyramide   Zylinder   Kegel   Tetraeder, Hexaeder, Oktaeder, Ikosaeder   Ring, Kapsel, Röhre, Öltank, etc. (je nach verwendetem 3D-Programm)

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > GRUNDOBJEKTE

 Anzahl der Knoten von vorneherein irrelevant  Erst bei Veränderung des Objektes tritt die Anzahl der

Knoten ins Spiel

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > GRUNDOBJEKTE

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > GRUNDOBJEKTE

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > GRUNDOBJEKTE

 Folgerung:  Sofern ein Objekt parametrisiert ist, ist die Form exakt und

unabhängig von der Anzahl der Segmente  Sobald ein Objekt verändert wird (zB. Durchbohrt, etc.), ist die

Anzahl der Segmente ausschlaggebend.

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > SPLINES & NURBS

 Splines: 2D-Objekte  Grundobjekte wie Rechteck, Kreis, Linie, etc.  Müssen zu 3D-Objekten gemacht werden

 NURBS:  „Non-uniform rational B-Splines“  „Generatoren“ für 2D > 3D

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > SPLINES & NURBS

 Vorgehensweise:  Zeichnen von einem oder mehreren Splines  Anwenden von NURBS, die eine 3D-Hülle aus den 2D-Splines

erstellen

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > SPLINES & NURBS

  Beispiele möglicher NURBS (Namen abhängig vom verwendeten 3D-Programm):   Extrude: Verschieben eines Splines entlang einer oder mehrerer

Koordinatenachsen.   Lathe: Rotieren eines Splines um eine der drei Koordinatenachsen (kann

auch gekippt sein) > es entsteht ein Drehkörper   Loft: Mehrere Splines geben die Form der äußeren Hülle eines 3D-

Objektes vor > Hülle wird um die Objekte gelegt   Sweep: ein Spline gibt den Pfad vor, an dem ein zweiter Spline geführt

wird

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > SPLINES & NURBS

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

  Händisches Setzen von Knoten   Verbinden von Knoten durch Kanten   > Segment entsteht   Jeder beliebige Körper kann (mehr oder weniger aufwändig) modelliert

werden   Sehr zeitaufwändig   Unübersichtlich   Objekt muss meist geglättet werden (typ. mit Hyper-NURBS)

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN

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MODELLIERUNG 3 WEGE DER MODELLIERUNG > KNOTEN & KANTEN > GLÄTTEN

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE

 Verändern und Vervielfältigen von Objekten  Vereinfachen dem Modellierer das Leben

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > BOOLE

 Boolsche Objekte:  2 Objekte verbinden  2 Objekte voneinander abziehen (2 Varianten)  Die Schnittmenge zweier Objekte bilden

 Beispiele:  Löcher in Objekte bohren  Kanten abschrägen   (regelmäßige) Dellen erzeugen  Etc.

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > BOOLE

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > BOOLE > VERBINDEN

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > BOOLE > ENTFERNEN (2

VARIANTEN)

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > BOOLE > SCHNITTMENGE

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > INSTANZ

  Instanz:  aus einem Original wird eine oder mehrere Instanz(en) erzeugt  Wird beim Original eine Veränderung vorgenommen, ändern sich

auch die Instanzen  Speziell bei vielen identen Objekten von Vorteil

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > INSTANZ

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > ARRAY

 Array:   In einer regelemäßigen Anordnung wird aus einem Originalobjekt

eine Menge an Instanzen generiert.  Kreisförmige, quadratische Anordnung leicht erstellbar

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > ARRAY

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > SYMMETRIE /

SPIEGELUNG

 Spiegelung:  Ein Objekt wird an einer Ebene (kann auch gekippt sein) gespiegelt  Vorteilhaft bei symmetrischen Objekten

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > SYMMETRIE /

SPIEGELUNG

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > NULL-OBJEKT

 Null-Objekt:  Objekt ohne Inhalt  Eigenes Koordinatensystem  Wird zum „Sammeln“ mehrerer zusammengehöriger Objekte

verwendet oder um ein Objekt in ein neues Koordinatensystem zu bringen

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > METABALL

 Metaball:  Erzeugt „organisch“ wirkende Verbindungen zweier oder mehrerer

Objekte  Schwer kontrollierbar > ausprobieren

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MODELLIERUNG MODELLIERUNGSOBJEKTE > WEITERE > METABALL

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN

 „Deformieren“ bestehender Objekte  Deformationen sind (je nach 3D-Programm):

 Biegen  Scheren  Stauchen  Explosion, Schmelzen, …

 Wirken auf die Segmente eines Objektes > Anzahl der Segmente entscheidend

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN

 Erhöhen der Segmentanzahl:  Global für das gesamte Objekt (bei parametrisierten Objekten)  Lokal für einen gewissen Bereich (bei nicht-parametrisierten

Objekten)

 Lokal: Nachteil, dass das Objekt „ent-parametrisiert“ werden muss.

 Global: Nachteil, dass auch an den Stellen, wo man die große Anzahl an Segmenten nicht braucht, dann welche vorhanden sind.

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN

 Typische Deformatoren:  Biegen  Bulge: das Objekt wird „aufgeblasen“ bzw. „zusammengezogen“  Scheren  Stauchen  Explosion, Schmelzen, Splittern  Wickeln  Polygonreduktion: überflüssige bzw. nicht sichtbare Polygone

werden aus dem Objekt entfernt > Renderingzeit wird verringert.

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > BULGE

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > SCHEREN

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > STAUCHEN

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > VERDREHEN

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > WIND

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > FORMEL (HIER: SINUS)

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MODELLIERUNG DEFORMATOREN > FFD

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MODELLING DEFORMATOREN > WEITERE

 Bone-Deformator: zum Erstellen von Skeletten  Spline- und Spline-Rail Deformator: Objekte werden

zwischen begrenzende Splines eingepasst

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TEXTURIERUNG

 Schritt 2 der 3D-Visualisierung  Materialien besitzen nicht nur Farbe, sondern viele

physikalische Eigenschaften  Das Auftragen des Materials auf das Objekt ist ebenfalls

entscheidend

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN

 Farbe: neben der Farbe klarerweise auch die Helligkeit bestimmbar

 Textur:  Grafiken (meist kachelbar), die auf ein Objekt aufgebracht werden.

Beispiel: Ziegelstruktur für eine Wand  Shader:

  mathematisch berechenbare Muster   beliebig skalierbar, aber nur bedingt realistisch (gut: Wolken, Feuer, etc.)   Oft animierbar

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > DIFFUSION

 Erzeugen von:  Staub  Kratzer  Generell Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche  Shader sind gut geeignet für das Erzeugen von

Unregelmäßigkeiten

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > LEUCHTEN

 Simuliert selbstleuchtende Materialien (Displays, etc.)  Simulieren zumeist nur Licht > Umgebung wird dadurch

nicht beleuchtet  Anwendung Fernseher / Bildschirm:

 Selbstleuchtend  Animierte Textur

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > TRANSPARENZ

  Eine der wichtigsten Eigenschaften von Materialien   Grad der Transparenz bestimmbar   Streueffekte bestimmbar („Milchglas“) > hoher Rechenaufwand   Entscheidend: Brechungsindex „n“

  Vakuum / Luft: n=1  Wasser: n=1.333  Glas: n=1.4-1.9   Etc. (siehe Skript)

  Fresnel: berücksichtigt Sichtwinkel auf das Material (Glas: von vorne durchsichtig, von der Seite nicht)

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > SPIEGELUNG

 Umgebung wird im Objekt gespiegelt.  Achtung: ist das Objekt von keinen anderen Objekten

umgeben, so kann es nichts spiegeln! > Oft wird Umgebung „simuliert“

 Arbeiten mit „Bumps“ zum Einstellen des Spiegelungsgrades

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > UMGEBUNG

 Nicht vorhandene Umgebung wird simuliert:  Zumeist mit Grafiken  Modellierung der Umgebung wäre zu

aufwändig   Ideal im Zusammenhang mit

Spiegelungseffekten

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > NEBEL

 Ebenfalls eine Materialeigenschaft  Achtung: muss auf ein Objekt aufgetragen

werden > „Nebel-Objekt“ muss erstellt werden (beispielsweise ein Quader)

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > RELIEF

 Simulieren einer unebenen Oberfläche

 Einsatz von Bumps (siehe Kachelgrafik)

 Beispiele:  Golfball  Strukturiertes Glas

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > GLANZLICHT & GLANZFARBE

 Zum Simulieren einer sich spiegelnden Lichtquelle in einem Objekt

 Glanzfarbe bestimmt die Farbe der „Lichtquelle“  Wird sehr oft verwendet

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TEXTURIERUNG MATERIALEIGENSCHAFTEN > GLÜHEN

 Glühen rund um ein Objekt, zB. Wärmestrahlung  Dient (wie Selbstleuchten) nicht als Lichtquelle  Glühen spiegelt sich nicht in spiegelnden Materialien

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TEXTURIERUNG AUFTRAGEN VON MATERIALIEN

 „Projektion“ („Mapping“) des Materials auf das Objekt  Abhängig vom Objekt und der erwarteten Wirkung  Typ. Mapping-Arten:

 Kugel-Mapping: Material kugelförmig auftragen (ideal für kugelförmige Objekte)

 Zylinder-Mapping, Quader-Mapping, Fläche-Mapping  UVW-Mapping: Es wird versucht, das Material als Ganzes auf das

Objekt aufzubringen (U, V, W stehen für Objektkoordinaten)  Decal-Mapping: ideal zum einseitigen Aufbringen des Materials

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TEXTURIERUNG AUFTRAGEN VON MATERIALIEN

Von links nach rechts: • Kugelmapping

• Zylindermapping

• Flächenmapping

• Quadermapping

• UVW-Mapping

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TEXTURIERUNG AUFTRAGEN VON MATERIALIEN > ZU BEACHTEN

 Beachte:  Kugel- und Zylindermapping eignen sich nur bedingt für Flächen  Flächen-Mapping ist für runde Objekte nur bedingt geeignet

 Texturen können (meist additiv) überlagert werden  Texturen können gekachelt und positioniert werden  Bei nicht kachelbaren Texturen besteht in vielen

Programmen die Möglichkeit, „nahtlos“ aneinanderzusetzen (> gespiegelte Texturanordnung)

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG

 Bisher:  Modellierung  Texturierung

 Es fehlt: Beleuchtung   In vielen 3D-Programmen:

 Standardbeleuchtung eingeschaltet, um eine schnelle Vorschau zu erhalten

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG VOR DEM START

 Man unterscheidet drei Arten von Licht – „3-Punkt Beleuchtung“:  Hauptlicht (Key-Light): Dient zur Bestimmung des

Interessenszentrums. Platzierung meist in einem Winkel von 60° rechts oder links vor dem Objekt

 Aufhelllicht (Fill-Light): Dient zur Ausleuchtung der Szene von vorne oder von der Seite

 Hintergrundlicht (Back-Light): Dient zur Ausleuchtung der Szene von hinten

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG VOR DEM START

 Grundmerkmale einer Lichtquelle:   Intensität  Abnahme

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG UNTYPISCHE „LICHTQUELLEN“

 Neben den Standardlichtquellen existieren als Helligkeitsgeber:  Sonne: Uhrzeit und Datum beachten…  Himmel: eigenes Himmelsobjekt, das alle Objekte über dem

Horizont umgibt  Boden: detto, nur am Horizont  Umgebung

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG UNTYPISCHE „LICHTQUELLEN“

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG TYPISCHE LICHTQUELLEN > PUNKTLICHT

 Punktlicht: Leuchtet den Raum gleichmäßig aus

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG TYPISCHE LICHTQUELLEN > SPOTLICHT

 Typ: kegelförmiger Verlauf

 Charakteristisch: Ausbreitungsrichtung

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG TYPISCHE LICHTQUELLEN > DISTANZLICHT

 Unendliche Lichtquelle:   Hat keinen Ursprung

> strahlt paralleles Licht aus unendlich großer Entfernung aus

  Nur die Richtung der Lichtquelle ist ausschlaggebend

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG TYPISCHE LICHTQUELLEN > FLÄCHENLICHT

 Flächenlicht:  Ähnlich dem

Flächenlicht, nur rechteckige Quelle

  Ideal für „Overhead“

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG TYPISCHE LICHTQUELLEN > WEITERE QUELLEN

 Röhre: simuliert das Strahlungsverhalten von einer Leuchtstoffröhre

 Eckiger Spot

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SCHATTENWURF > WEICHER SCH.

 Typ. Drei Arten von Schatten:  Weicher Schatten:

  am Schattenrand wird ein weicher Verlauf erzeugt

  Breite des weichen Verlaufes variierbar   Simuliert den realen Schattenwurf

 Bild: drei „Mapping-Einstellungen“ (Breite des Schattenrandes)

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SCHATTENWURF > HARTER SCHATTEN

 Harter Schatten:   Scharfe Kante am Schattenrand   Wird oft in der Architektur-

Visualisierung verwendet

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SCHATTENWURF > FLÄCHENSCHATTEN

 Flächenschatten:   Realistischster Schattenwurf   Enorm hohe Renderingzeiten

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SCHATTENWURF

 Beachte:   In der Realität ist ein Schatten meist nicht zu 100% schwarz  Daraus resultiert, dass „im Schatten“ liegende Objekte doch noch

ein wenig sichtbar sind  Wenn Schattenfarbe einstellbar: dunkles Grau anstatt Schwarz

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Punktlicht mit weichem Schatten

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Spot von oben mit weichem Schatten

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Unendliches Licht von oben mit weichem Schatten

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Flächenlicht von oben mit weichem Schatten

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Punktlicht mit hartem Schatten

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Spot von oben mit hartem Schatten

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Unendliches Licht von oben mit hartem Schatten

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Flächenlicht von oben mit hartem Schatten

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Punktlicht mit Flächenschatten

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Spot von oben mit Flächenschatten

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Unendliches Licht von oben mit Flächenschatten

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Flächenlicht von oben mit Flächenschatten

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SICHTBARES LICHT

 Grundsätzlich ist Licht nicht sichtbar  Typ. Anwendungen:

 Rauchige Räume  Lichtstrahlen simulieren  Spots im Nebel

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SICHTBARES LICHT

 Drei Varianten sichtbaren Lichts:  Sichtbar: Licht ist überall sichtbar, durchdringt also Objekte  Volumetrisch: Licht ist nur dort sichtbar, wo es sich wirklich

ausbreiten kann.   Invers volumetrisch: Licht ist dort sichtbar, wo man es eigentlich

nicht sehen sollte.

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SICHTBARES LICHT > „SICHTBAR“

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SICHTBARES LICHT > „VOLUMETRISCH“

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG SICHTBARES LICHT > „INVERS VOLUM.“

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Sichtbares Punktlicht ("sichtbar") mit weichem Schatten

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Sichtbares Spotlicht ("sichtbar") mit weichem Schatten

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Sichtbares Punktlicht ("volumetrisch") mit weichem Schatten

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Sichtbares Spotlicht ("volumetrisch") mit weichem Schatten

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Sichtbares Punktlicht ("invers volumetrisch") mit weichem Schatten

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Sichtbares Spotlicht ("invers volumetrisch") mit weichem Schatten

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG NOISE

 Unregelmäßige Beleuchtung des Objekts:  „Beleuchtung“: Unregelmäßigkeiten im Licht, aber im sichtbaren

Licht nicht erkennbar  „Sichtbar“: die Unregelmäßigkeiten sind nun im sichtbaren Licht zu

erkennen.  „Beides“

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Sichtbares Spotlicht ("volumetrisch") mit weichem Schatten und Noise ("Sichtbarkeit")

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Sichtbares Spotlicht ("volumetrisch") mit weichem Schatten und Noise ("Beleuchtung")

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Sichtbares Spotlicht ("volumetrisch") mit weichem Schatten und Noise ("beides")

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG RADIOSITY & CAUSTICS

 Zwei Effekte, um Beleuchtung realistisch darzustellen  Benötigen hohe Rechenleistung > lange Rechenzeiten  Radiosity:

 Lichtbrechungsverfahren, wo das von Objekten reflektierte Licht bei der Beleuchtung eines anderen Objektes mitberücksichtigt wird

 Caustics:  Berücksichtigt „Linseneffekte“ bei zB. gewölbten transparenten

Materialien

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BELEUCHTUNG & UMGEBUNG EINIGE SCREENSHOTS

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3D-VISUALISIERUNG  Zwischenergebnis:

 3 Schritte abgeschlossen  Somit ist der Visualisierungsteil abgeschlossen

 Weitere Vorgehensweise:  entweder: statisches Bild rendern  oder: Sound / Animation hinzufügen > 3D-Animation und danach

rendern

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3D-ANIMATION  2 zusätzliche Schritte:

 Einbinden von Animation  Einbinden von Sound

 Danach: Rendern als Film oder Abfolge von Einzelbildern

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ANIMATION

 Bewegung in die Statik!  Viel Arbeit: wir sind:

 Drehbuchauthor  Kameramann   für das Licht zuständig  Regisseur

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ANIMATION

 Arbeiten mit einer vierten Dimension: der Zeit  Objekte haben ab jetzt nur mehr zu einem gewissen

Zeitpunkt bestimmte Eigenschaften

 Tool zur Erstellung von Animationen: die Zeitleiste  Voreinstellung: die Bildrate

  typ. 25 Bilder pro Sekunde

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE

 Für jedes Objekt können Spuren in der Zeitleiste erzeugt werden:  Positionsspur (3 Achsen getrennt)  Winkelspur (3 Winkel getrennt)  Größenspur (3 Dimensionen getrennt)  Parameterspuren  etc.

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE

  Innerhalb dieser Spuren werden mit Hilfe von Keys die Eigenschaften geändert.

 Zwischen den Keys werden die Änderungen zwischengerechnet (interpoliert)

 Der Grad der Interpolation (links, rechts) kann i. Allg. angepasst werden > ansonsten „Überschwingen“ möglich

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE

 Keys werden meist auf zwei Arten erzeugt:  händisch durch Setzen von Keys zu gewissen Zeitpunkten  automatisiert durch Ändern der jew. Eigenschaften zu bestimmten

Zeitpunkten („Auto-Keying“)

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

 Fallender Würfel:  vier definierte Positionen  Bewegung zwischen den Positionen wird interpoliert

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION DIE ZEITLEISTE > ANWENDUNG

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ANIMATION KAMERA

 Eine Kamera bereits bekannt: „Editorkamera“  Stellt den Sichtwinkel während der Entwicklung dar   Ist eine voreingestellte Kamera in den meisten Programmen

 Eigene Kameras:  Volle Kontrolle über Position, Winkel, Brennweite, Tiefenunschärfe,

…  Es existieren oft zielgerichtete Kameras > folgen dem Objekt, falls

sich das Objekt bewegt

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ANIMATION KAMERA

 Beliebig viele Kameras möglich  Natürlich nur eine Kamera zu einem Zeitpunkt

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ANIMATION KAMERA > ANWENDUNG

 Kamerafahrt durch eine Bühne  Kamera zunächst weit außen positioniert  Licht wird eingeschaltet  Kamera nähert sich der Bühne  Fahrt quer über die Bühne bis zum Endpunkt

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ANIMATION KAMERA > ANWENDUNG

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SOUND   Weiteres multimediales Medium   Nur im Zusammenhang mit Animationen, dort jedoch besonders

sinnvoll.

  Sounddateien werden im Rahmen des Rendern nicht mitberechnet, sondern werden zumeist in einem eigenen Schritt erzeugt

  Sounddateien sind eigenständige Dateien und werden in weiterer Folge zum Film dazugeschnitten

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SOUND  2 Möglichkeiten, Sound einzubinden:

 2D-Sound: Sound hat keine eigene Quelle, sondern dient als Hintergrundsound

 3D-Sound: Sound wird durch Lautsprecher-Objekte erzeugt und mit Mikrofon-Objekten aufgenommen

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SOUND 2D-SOUND

 Maximal als Hintergrund- oder Sprechersound geeignet, da nicht lokalisiert

 Sounddatei wird in eine eigene Spur der Zeitleiste eingebaut.

 Mehrere Soundspuren möglich > Möglichkeit der Überblendung zwischen Soundspuren

 Soundspuren zumeist bearbeitbar / überblendbar

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SOUND 3D-SOUND

 Sound ist lokalisiert (durch Verwendung von Lautsprechern und Mikrofonen)

 Beliebig viele Soundkanäle (=Anzahl der Mikrofone) möglich > Surroundsound (zB. auch 7.1-Sound)

 2 zusätzliche Objekte erforderlich:  Lautsprecher: diesem wird eine Sounddatei zugewiesen  Mikrofon: diese erzeugen die berechneten Sounddateien

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SOUND 3D-SOUND > LAUTSPRECHER

 Physikalische Eigenschaften:  Abstrahlwinkel definiert durch:

  innerer Winkel: der Bereich, in dem der Sound immer die maximale Lautstärke hat

  äußerer Winkel: der Bereich, ab dem die Soundlautstärke Null ist.

 Zwischen innerem und äußerem Winkel nimmt die Lautstärke kontinuierlich ab.

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SOUND 3D-SOUND > LAUTSPRECHER

 Abstrahlweite definiert durch:   innere Distanz: Abstand vom Lautsprecher, bis zu welchem die max.

Lautstärke abgestrahlt wird   äußere Distanz: Abstand vom Lautsprecher, ab dem die Lautstärke Null ist

 Abnahmeverhalten der Lautstärke:   Linear   invers   invers quadratisch, kubisch, …   realistisch: invers quadratisch

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SOUND 3D-SOUND > LAUTSPRECHER

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SOUND MIKROFON

 Arbeitet ähnlich wie ein Lautsprecher   In der Realität: Mikrofone besitzen eine

„Richtcharakteristik“:   innerer Winkel: 0°  äußerer Winkel: 60°   typ. keine Abnahme

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SOUND MIKROFONE > DOPPLER-EFFEKT

 Bewirkt eine Tonhöhenänderung von sich bewegenden Schallquellen für den Betrachter:  Beim Näherkommen: Ton wird höher  Beim Entfernen: Ton wird tiefer

 Kann in den meisten 3D-Programmen simuliert werden

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SOUND ANWENDUNG 3D-SOUND

 Abstrahlrichtung beachten (liegt derzeit falsch):

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SOUND ANWENDUNG 3D-SOUND

 Abstrahlrichtung drehen:

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SOUND ANWENDUNG 3D-SOUND

 Mikrofone auf der Kamera platzieren:

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RENDERING  Größter Teil der Arbeit getan  Höchster Zeitaufwand steht zumeist jetzt bevor  Hardware-Anforderungen:

 Schneller Prozessor  Viel Hauptspeicher  Viel Festplattenspeicher  Grafikkarte irrelevant

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RENDERING  Rendering-Engine Kernstück eines 3D-Programmes  Oft wird in einem Programm modelliert, in einem anderen

Programm gerendert  Je detailreicher die Modellierung und je mehr Licht- und

Transparenzeffekte, umso länger die Rechenzeit

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RENDERING  2 Arten von Rendering:

 „Vorschau“-Rendering: Rendern in der Editorumgebung   Viele Details werden nicht berücksichtigt (Radiosity, Caustics, …)   Post-Effekte werden nicht berechnet   Gut geeignet für schnelle Ansichten eines Objektes oder einer Szene

 „echtes“ Rendering:   Alle Details, auch Post-Effekte   daher sehr zeitaufwändig

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RENDERING  Voreinstellungen zum Rendering besonder wichtig, da:

 Unterscheidung zwischen Rendern von Standbildern oder Animationen

 Format, Auflösung  Welche Post-Effekte werden berücksichtigt?  Werden Radiosity und Caustics berücksichtigt?

 Einstellungen von Fall zu Fall unterschiedlich, daher: Profile abspeichern

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RENDERING BATCH-RENDERING

 Rendern mehrerer Rendering-Jobs in einer gewissen Abfolge

 Vorteil: da man nicht weiß, wie lange ein Job dauert, möchte man nicht so lange warten > Batch-Rendering startet bei Beendigung des einen Jobs sofort den nächsten

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RENDERING TYPISCHE EINSTELLUNGEN

 Antialiasing: Kantenglättung  Ausgabe-Einstellungen: Größe, Format  Rendering-Time: wird der gesamte Film oder werden nur

Teilbereiche gerendert?  Radiosity / Caustics  Post-Effekte (Bewegungsunschärfe, Blendeneffekte, …)

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LITERATUR  Jeremy Birn „Lightning and Rendering“  O. Demers, Ch. Urszenyi „Digital Texturing & Painting“  Keywan Mahintorabi „Maya“  Uwe Mutz „Web Multimedia!“  Frank Schöttke „Cinema 4D XL Release 7“

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