vividus Wissenschaftsverlag

Warum sich der Dino furchtbar erschreckte -
Lehrbuch zu Beleuchtung und Rendering mit Java, LWJGL, OpenGL, OpenCV und GLSL

Autor: Marco Block-Berlitz

Zielgruppe

Das Buch eignet sich für Studierende der Informatik im Grund- und Hauptstudium und stellt Beispiele aus unterschiedlichen Informatikbereichen vor. Es ist ebenfalls für Interessierte geeignet, die einen Einstieg in die Shaderprogrammierung mit Java suchen. Die dafür notwendigen Kenntnisse werden Schritt für Schritt erläutert. Mathematische und theoretische Konzepte werden bei Bedarf direkt an den entsprechenden Stellen eingeführt. Am Ende jedes Kapitels gibt es neben einer Zusammenfassung mit weiterführenden Literaturhinweisen eine Aufgabensammlung. Ausgewählte Lösungsvorschläge sind am Ende des Buches in einem Kapitel zusammengefasst. Eine Übersicht der im Buch verwendeten Notation zur schnellen Orientierung ist ebenfalls im Anhang zu finden.

Das Buch erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Es liefert keine vollständige Beschreibungen von OpenGL, OpenCV, GLSL oder LWJGL. Sie sind vielmehr Hilfsmittel, um Konzepte zum Thema Beleuchtung und Rendering praktisch beschreiben zu können.

3. aktualisierte und erweiterte Auflage

Seit dem das Buch 2019 erhältlich ist, habe ich viele interessante Gespräche mit Studierenden, Lesern und Dozenten führen können, die sich mit dem Buch auseinander gesetzt haben. Neben kleinen Fehlern, die sich bei einem Buchprojekt gerade in der ersten Auflage einschleichen können, wurden aber auch größere Konzepte kritisch unter die Lupe genommen. Die OpenGL-Inhalte von Kapitel 1 wurden in der zweiten und dritten Auflage überarbeitet und deutlich erweitert. Die Entwicklung einer kleinen Gameengine für Schwarmverhalten und Partikelsimulationen kam in der zweiten Auflage hinzu. Ein komplett neues Kapitel am Ende des Buches ist in der zweiten Auflage ebenfalls hinzugekommen, dass sich mit der Rekonstruktion von 3D-Modellen aus Fotoserien beschäftigt. Jetzt erweitern wir den Horizont von Computergrafik zu Computer-Vision und sehen, dass es große Gemeinsamkeiten gibt. Kapitel 3 wurde in der dritten Auflage um weitere Abschnitte zum Beleuchtungsdesign erweitert. Der Lösungsteil zu den Aufgaben wurde ebenfalls überarbeitet und deutlich erweitert.

Für die effiziente Arbeit mit dem Buch werden seit der dritten Auflage an vielen Stellen Videos bereitgestellt. Diese stehen auf der Webseite ebenfalls zur Verfügung und können durch die vorhandenen QR-Codes im Buch direkt über ein Smartphone oder Tablet abgespielt werden.

Die Übersicht zur verwendeten Notation und das griechische Alphabet wurden hierher ausgelagert:
NOTATION [PDF 249 KB]

Wer im Besitz der 1. Auflage ist, kann sich Kapitel 1 und 15 vollständig der zweiten Auflage herunterladen (Passwort S. 61 erstes Wort):
KAPITEL 1 und 15 [ZIP 8.08 MB]

Hintergrund zum Buch

Das Buch ist aus den Vorlesungen "Beleuchtung und Rendering" und "Computergrafik II" an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW Dresden) entstanden. Das vorliegende Buch hat nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, sondern möchte vielmehr die Tiefe und Vielfältigkeit von GPU-basierten Anwendungen motivieren und aufzeigen. Ein Streifzug durch verschiedene Themengebiete wie Beleuchtungsdesign oder Shaderprogrammierung soll die Variabilität aber auch die Gemeinsamkeiten bestehender Konzepte verdeutlichen.

Buchinhalt

Kapitel 1 führt in die Arbeit mit OpenGL und LWJGL ein. Es wird in Verbindung mit Java eine kleine Beispielsammlung gezeigt, mit denen die ersten Schritte unternommen werden können. In Kapitel 2 lernen wir eigene Shader mit GLSL zu entwickeln. Als motivierendes Beispiel starten wir gleich mit einer interaktiven Wassersimulation, die parallel in Java und Shadercode entwickelt wird.

Zunächst werden in Kapitel 3 die Grundlagen des Beleuchtungsdesigns und anschließend in Kapitel 4 die notwendigen mathematischen Konzepte der Linearen Algebra vorgestellt. Kapitel 5 führt in Lichtquellenmodelle und lokale Beleuchtungsmodelle ein. Am Ende dieses Kapitels kennen wir auch das in OpenGL verwendete Beleuchtungsmodell. Schattierungsmodelle und eine Einführung in Neuronale Netze sind Inhalt von Kapitel 6.

In Kapitel 7 lernen wir Verfahren kennen, mit denen wir Texturen auf unsere 3D-Modelle bringen können und verfeinern diese Technik mit einem enormen Visualisierungsfortschritt in Kapitel 8, das sich mit Normal-Mapping auseinandersetzt. Grundlage für das Normal-Mapping ist der Tangentialraum. Bevor es damit losgeht, stehen in Kapitel 9 der grundlegende Umgang mit Matrizen und in Kapitel 10 die notwendigen Transformationen in 2D und 3D an. In Kapitel 11 werden die Koordinatensysteme der Renderpipeline und der Tangentialraum mit ihren Eigenschaften und Besonderheiten vorgestellt.

Um jetzt das Wissen im Mikrostrukturenbereich zu vertiefen, begeben wir uns in Kapitel 12 auf die Suche nach dem heiligen Gral - der BRDF-Funktion. Damit haben wir auf der feinsten Ebene bereits den Stand moderner Verfahren erreicht. Im vorletzten Kapitel 13, dem Displacement-Mapping, wollen wir das auch bei den Mesostrukturen schaffen. Es ist erstaunlich, was wir mit einfachen Mitteln aus dem Normal-Mapping alles herausholen können.

In Kapitel 14 darf natürlich eine Einführung in Echtzeitschatten nicht fehlen. Mit Kapitel 15 kommt ein neues Kapitel hinzu, bei dem die Brücke zur Computer-Vision geschlagen wird. Dort werden Konzepte der 3D-Rekonstruktion erläutert und vorgestellt.

Das komplette Inhaltsverzeichnis des Buches (3. Auflage):
INHALTSVERZEICHNIS [PDF 160 KB]

Zum Autor

Marco Block-Berlitz hat 2009 an der Freien Universität Berlin promoviert und von 2009-2012 an der Mediadesign Hochschule in Berlin als Professor für Gamedesign und Gamedevelopment gelehrt. Seit 2012 ist er Professor für Computergrafik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden.

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Zur Illustratorin

Ihre Illustrationen zum Anfang jedes Buchkapitels haben das Buch nicht nur abgerundet, sondern erheblich aufgewertet. Sie hat die Begabung, auch rein mathematisch fokussierten Kapiteln eine praktische Komponente abzugewinnen und damit den visuellen Leitfaden des Buches zu motivieren.

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Projektpatenschaft Freilandlabor Kaniswall

Die ausgedehnten Wälder und Seen mit ihren Schilfflächen und den Auwäldchen zwischen Erkner und Gosen bieten in Berlins größtem Naturschutzgebiet einen wichtigen Lebensraum für Flora und Fauna. Mein Onkel genoss es, aus dem Garten direkt in die Spreewiesen zu spazieren. Mit 402 Hektar sind es die letzten geschlossenen Bruchwald- und Feuchtwiesenflächen in Berlin. Im Freilandlabor Kaniswall werden in fünf Fachräumen und auf dem Freigelände unterschiedliche Naturthemen vorgestellt:

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Mit diesem Buch möchte ich einen Beitrag für den Erhalt und die Pflege dieser sensiblen Rückzugsgebiete meiner Geburtsstadt Erkner leisten. In Gedenken an Dich, lieber Uli, gehen 5% aus dem Buchverkauf direkt in das Patenprojekt.

Dein Marco

Probekapitel

Um Beispiele für den Buchinhalt zu geben, haben wir zwei Buchkapitel als Probekapitel zur Verfügung gestellt:

KAPITEL 4: Vektoren als Positionen, Richtungen und Farben [PDF 8.25 MB]
KAPITEL 9: Grundlegender Umgang mit Matrizen [PDF 5.22 MB]

Beide Kapitel stellen mit Vektoren und Matrizen wichtige Werkzeuge für die Computergrafik dar.

Programmsammlung

Bei den Beispielprogrammen werden im Buch nur die relevanten Abschnitte vorgestellt. Die komplette Programmsammlung aller Beispiele zum Buch, befindet sich hier (Passwort: Auflage 2, S. 331 erstes Wort, Auflage 3, S. 325 erstes Wort):

PROGRAMMPAKET [ZIP 756 MB]

Alle Beispiele sind in einem Eclipse-Projekt zusammengefasst. Erstellt wurde das Paket mit der Eclipse-Version "Eclipse IDE for Java Developers 2022-03". Die Klassen sind dabei thematisch zu Packages zusammengefasst.

Zusätzliche Datenpakete

Hier befinden sich Bildersets, die für die 3D-Rekonstruktion (beschrieben in Kapitel 15) zum Ausprobieren gut geeignet sind. Die Aufnahmen können unter Angabe des Buches als Referenz (siehe z. B. [1]) frei verwendet werden:

ARCHAEOPTERYX LITHOGRAPHICA [ZIP 256 MB]
43 Aufnahmen mit 5472x3648 Pixeln, Panasonic LUMIX

[1] Block-Berlitz, Marco: "Warum sich der Dino furchtbar erschreckte - Lehrbuch zu Beleuchtung und Rendering mit Java, LWJGL, OpenGL, OpenCV und GLSL", 3. Auflage, ISBN: 978-3-9819362-9-2, vividus Wissenschaftsverlag, 2021

Dozentenmaterial

Aktuelle Folienmaterialien stehen für Dozenten ebenfalls bereit. Stellen Sie uns dazu einfach eine Anfrage und teilen uns mit, bei welcher Veranstaltung Sie die Materialien einsetzen wollen:

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Bucherrata

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Videomaterialien

Für die dritte Auflage wurden mehr als 30 Videos bereitgestellt und über QR-Codes im Buch direkt verfügbar gemacht. Hier befindet sich die Liste der aktuellen Videos auf einer eigenen Webseite:

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