Grundlagen der Computergrafik

Dieses Kapitel beinhaltet Grundlagen für die Darstellung mithilfe von Grauwerten und Farben. Als ein Beispiel, wie sich Grauwerten darstellen lassen, obwohl das Ausgabegerät nur schwarze oder weiße Bildpunkte erzeugen kann, ist das Halbtonverfahren beschrieben. Weiterhin enthält dieses Kapitel eine Übersicht von Farbmodellen, die in der Computergrafik und angrenzenden Bereichen, wie in der Bildverarbeitung und beim digitalen Fernsehen, Verwendung finden. Für professionelle Anwendungen ist die Reproduzierbarkeit von Farben auf unterschiedlichen Ausgabegeräten erforderlich. Beispielsweise soll auf einem Drucker exakt dieselbe Farbe ausgegeben werden, wie sie auf dem Monitor erscheint. Hierfür können sogenannte kalibrierte Farbmodell, die auch colorimetrische Farbmodelle genannt werde, zum Einsatz kommen. Weiterhin sind die grundlegenden Farbmodelle dargestellt, die in der OpenGL genutzt werden. Darüber hinaus sind die Grundprinzipien der Farbinterpolation erläutert.

Die Darstellung von Objekten in den frühen Stufen der Computergrafik-Pipeline beruht auf den Prinzipien der Vektorgrafik. Hierdurch lassen sich Objekte und Szenen von Objekten effizient und verlustfrei transformieren. Für die Darstellung auf gängigen Ausgabegeräten ist jedoch die Umwandlung dieser vektorbasierten Darstellung in eine Rastergrafik erforderlich, was als Rasterung bezeichnet wird. In diesem Kapitel befindet sich eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile dieser Darstellungsarten. Weiterhin sind die grundlegenden Probleme und wichtige Lösungsansätze erläutert, die sich bei der Rasterung ergeben. Bei der Umwandlung einer Vektorgrafik in eine Rastergrafik treten in Regel unerwünschte Störungen als sogenannte Aliasing-Effekte auf, die sich durch Antialiasing-Verfahren reduzieren lassen. Dieses Kapitel enthält einen ausführlichen Abschnitt zu diesem Thema. Insbesondere ist dargestellt, welche Antialiasing-Verfahren in der OpenGL eingesetzt werden.

Dieses Kapitel enthält ausgewählte Spezialthemen für computergrafische Anwendungen. Da Virtual-Reality (VR)-Anwendungen ein wichtiges Anwendungsgebiet der Computergrafik sind, sind Faktoren erläutert, die in solchen Anwendungen einen hohen Grad an Immersion erzeugen können, so dass sich ein Benutzer in einer virtuellen Umgebung wirklich präsent fühlt. Durch die Simulation von Nebel, die Nutzung von Partikelsystemen oder durch die Darstellung dynamischer Oberflächen lassen sich in computergrafischen Szenen realistische Effekte erzeugen. Für interaktive Computergrafiken ist die Auswahl von Objekten und die Erkennung und Behandlung von Kollisionen wichtig. Hierdurch lassen sich dreidimensionale virtuelle Welten durch Benutzer erkunden und manipulieren. Für diese Themen enthält dieses Kapitel die technischen Grundlagen. Für die meisten Themen sind darüber hinaus OpenGL-Beispiele dargestellt und erläutert. Da der Hörsinn einen großen Beitrag zur Immersion und damit zur Präsenz leistet, sind in diesem Kapitel einige wichtige Erkenntnisse und technische Grundlagen zur Auralisierung akustischer Szenen dargestellt. Der letzte Teil dieses Kapitels enthält eine Zusammenfassung wichtiger Faktoren für das Entstehen eines visuellen Tiefeneindrucks in einer Szene. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Sehen mit beiden Augen (binokulares Sehen) und der technischen Reproduktion durch Stereoskopie-Ausgabetechniken. Diese Techniken kommen beim 3D-Fernsehen und in Virtual-Reality-Headsets zum Einsatz.