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Transform & Lighting Engines


Wirklichkeitsnähe in Echtzeit

In Kombination erzielen die Leistungsmerkmale Transform und Lighting eine starke Verbesserung des Fotorealismus – ganz einfach ausgedrückt, werden Dinge auf Ihrem Bildschirm “lebendig”. Durch Transformation bewegen sich Dinge natürlicher, und Lighting lässt Objekte und Handlungen realistischer erscheinen. Schauplätze werden mit realistischen Charakteren und detaillierteren Umgebungen an Lebendigkeit gewinnen. Jetzt ist es so weit, dass jedes einzelne Element erscheinen kann, wie sein Pendant in der Natur – im Aussehen, in den Bewegungen und genauso beleuchtet. Wenn der GPU das Lighting ausführt, werden Licht und Schatten nicht nur realistischer erscheinen, sie werden auch interaktiv sein.

Wie funktioniert Transform & Lighting?

Transform & Lighting sind zwei mathematisch sehr intensive Prozesse. Bis der GPU GeForce 256 herauskam, hat der CPU alle diese Berechnungen durchgeführt, wodurch sehr viel Prozessorkraft gebraucht wurde. Da jetzt der GPU diese Berechnungen durchführt, werden Sie eine starke Leistungsverbesserung in Ihren 3D-Anwendungen feststellen und der CPU wird freigesetzt, Funktionen zur Verbesserung der visuellen Darstellung, wie z.B. von Gegenständen und künstlicher Intelligenz, zu übernehmen.

Jedes der drei Bilder zeigt die gleiche Kugel, das Bild auf der rechten Seite ist jedoch ganz klar die realistischste der drei Abbildungen – es wurde im Vergleich zum Bild auf der linken Seite in die fünffache Polygonanzahl aufgeteilt. Das bedeutet, dass die Kugel auf der rechten Seite die fünffache Transform-Leistung der Kugel auf der linken Seite benötigt. Das mag für eine einzelne Kugel als unwichtig erscheinen, da aber die typischen 3D-Szenen von heute Hunderte oder Tausende von Objekten verlangen, leidet die Transform & Lighting-Fähigkeit der CPU darunter, die Entwickler müssen ihre Weiterentwicklungen beschränken. Mit Transformation kann ein Dschungelschauplatz viele Bäume und Sträucher darstellen, nicht nur einen einzelnen Baum.

Die gesamte in der 3D-Grafik-Pipeline anfallende Arbeit ist zwischen dem CPU und dem Grafikprozessor aufgeteilt. Die Linie, die die Aufgaben des CPUs von denen des Grafikprozessors trennt, verschiebt sich, da die Kompetenzen des Grafikprozessors immer weiter wachsen. 1999 war das Jahr, in dem Grafikprozessoren mit integrierten T&L Engines zum ersten Mal zu einem Preis im PC-Bereich verkauft werden konnten, womit enorme Möglichkeiten für alle PC-Anwender geschaffen wurden. Abbildung 8 zeigt die steigende Wichtigkeit der Grafikprozessoren innerhalb der letzen Jahre. Die vollständige Grafik-Pipeline wird nun von der Grafikprozessor-Einheit durchgeführt, daher das Kürzel GPU.

Lighting

Das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf Veränderungen in der Helligkeit als auf farbliche Veränderungen. Aus diesem Grunde könne die Lighting-Effekte größeren Vorteil aus den natürlichen Fähigkeiten des menschlichen Auges ziehen dies bedeutet, dass ein Bild mit Lighting-Effekten mehr Informationen an den Betrachter in der gleichen Zeit weitergibt. Diese Tatsache ist wichtig für alle 3D-Anwendungen, egal ob sie im Unterhaltungssektor, im schulischen Bereich, in der Wissenschaft, der Medizin oder der Datenanalyse genutzt werden.

Lighting ist in zwei Basiskategorien unterteilt: diffus und spiegelnd (specular). Diffuses Licht wirkt, als ob das Licht auf ein Objekt trifft und in alle Richtungen gleich entweicht, so dass die Helligkeit des reflektierten Lichts überhaupt nicht vom Standort des Betrachters abhängt. Wenn das Licht z.B. auf einen Spielplatz fällt, ist es überall gleich. Specular Lighting (spiegelnde Beleuchtung) hingegen ist ganz anders, da es abhängig von der Position des Betrachters, von der Beleuchtungsrichtung und der Ausrichtung des beleuchteten Objekts ist. Der Strahl einer Taschenlampe wird z.B. von einem Geldstück ganz anders reflektiert als von einem Grassbüschel. Specular Lighting zieht die Vorteile aus den spiegelähnlichen Eigenschaften eines Objekts, so dass bessere Reflektionen erzielt werden können.

Diffuses Licht gegenüber Specular Lighting

Specular Highlights bewegen sich auf dem Objekt, wenn der Betrachter sich in Relation zur Lichtquelle bewegt. Aus diesem Grunde können sie nicht vom Computer vorgefertigt oder statisch sein. Specular Lighting ist besonders für zwei Dinge in einer 3D-Szene wichtig. Um simple Frontansichten zu vermeiden und um das Erscheinungsbild von verschiedenen Materialien für Objekte zu erstellen. Specular Lighting ist auch wichtig, um verschiedene Materialien für Objekte in einer 3D-Szene darzustellen. Ein Seidenhemd sieht anders aus als ein Baumwollhemd, selbst wenn beide die gleiche Farbe haben. Der grundsätzliche Unterschied liegt darin, wie die beiden Materialien das Licht reflektieren, dies wird durch Specular Lighting eingefangen. Specular Lighting zusammen mit Texture Mapping erschafft realistischere Objekte, weil sie die visuellen Eigenschaften realer Materialien wiedergeben. Nur ein GPU mit Hardware Lighting kann Specular Lighting ohne schwerwiegende Leistungsverluste unterstützen. Wenn Entwickler eventuell Texture Mapping für einige Specular Lighting-Effekte nutzen, werden sie die Maps für die Umgebung neu berechnen müssen, wenn sich der Betrachter bewegt – das ist ein zeitaufwendiger Prozess, es sei denn die Grafik-Hardware unterstützt Cube Environment Mapping.

www.nvidia.de

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