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Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007Maxi Springer, Seminar Computer Graphik SS2007

computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization

Non-Photorealistic RenderingNon-Photorealistic Rendering

Eine EinführungEine Einführung


Maxi Springer, Maxi Springer, Proseminar Computer Graphik SS2007Proseminar Computer Graphik SS2007 Folie Folie 22


1. Begriffserklärung1. Begriffserklärung

2. Ziele2. Ziele

3. Anwendungsgebiete3. Anwendungsgebiete

4. Techniken4. Techniken4.1 Überblick4.1 Überblick

4.2 Toon Shading4.2 Toon Shading

4.3 Computer Sketching4.3 Computer Sketching

4.4 Halftoning4.4 Halftoning

4.5 Screening4.5 Screening

4.6 Stippling4.6 Stippling

5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung



1.Begriffserklärung1.BegriffserklärungDefinition „Non Photorealistic Rendering“:Definition „Non Photorealistic Rendering“:

Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung Non Photorealistic Rendering ist der Prozess der Erzeugung von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch von Bildern oder Animationen, die nicht photorealistisch sind.sind.

Definition „nicht photorealistische Bilder“Definition „nicht photorealistische Bilder“ (nach Masuch): (nach Masuch): Als nicht-photorealistisch bezeichnen wir Bilder, deren Elemente zwar realistische Aspekte der Abbildung beinhalten, deren Darstellungsweise jedoch aufgrund der Verwendung bestimmter Stilmittel in den Bereichen Form, Farbe, Struktur, Schattierung, Licht oder Schattenwurf von der wahrnehmbaren Wirklichkeit abweichen.



1. Begriffserklärung1. Begriffserklärung



1. Begriffserklärung 1. Begriffserklärung




1.1. BegriffserklärungBegriffserklärung

2. Ziele2. Ziele











2. Ziele2. Ziele

Im wesentlichen 2 wichtige Ziele:Im wesentlichen 2 wichtige Ziele:

•Vermittlung bestimmter Informationen Vermittlung bestimmter Informationen (durch Reduzierung auf das Wesentliche, (durch Reduzierung auf das Wesentliche, Hervorhebungen, Abstraktion…)Hervorhebungen, Abstraktion…)

•künstlerische, kreative Bilder erzeugenkünstlerische, kreative Bilder erzeugen



2. Ziele2. ZieleNachteile photorealistischer Bilder:Nachteile photorealistischer Bilder:

• Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Informationsgehalt zu hoch (-> ungeeignet für Straßenkarten, Illustrationen)Illustrationen)

• Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Einschränkung der Kreativität (-> ungeeignet für Karikaturen, Comics, Kunst)Kunst)

• Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Zeitaufwendige Bilderzeugung (-> ungeeignet für Echtzeit Anwendungen) Anwendungen)

• Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig Betrachter wird nicht miteinbezogen, hat wenig InterpretationsmöglichkeitenInterpretationsmöglichkeiten

„„Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Photorealism, like pornography, leaves nothing to the imagination“ -Cassidy CurtisCassidy Curtis





2. Ziele2. Ziele












Kunst Kunst




Comics/ CartoonsComics/ Cartoons




ArchitekturArchitektur




KartographieKartographie




MedizinMedizin




TechnikTechnik




ArchäologieArchäologie





2. Ziele2. Ziele











4.1 Überblick4.1 ÜberblickEinordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien:Einordnung der Verfahren nach verschiedenen Kriterien:

• A. Maß an InteraktionA. Maß an Interaktion• interaktiv (künstlerisch)interaktiv (künstlerisch) automatisch automatisch

• B. EingabeB. Eingabe• 3D Szenen3D Szenen• 2D Bilder2D Bilder• 2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen)2½D Bilder (Bilder mit 3D Zusatzinformationen)• Benuzereingaben in ein MalsystemBenuzereingaben in ein Malsystem

• C. Art des AlgorithmusC. Art des Algorithmus• Objektraum-AlgorithmusObjektraum-Algorithmus• Bildraum-AlgorithmusBildraum-Algorithmus

• D. AusgabeD. Ausgabe• Cartoon (-> Toon Shading)Cartoon (-> Toon Shading)• Skizze (-> Computer Sketching)Skizze (-> Computer Sketching)• Punktzeichnung (-> Stippling)Punktzeichnung (-> Stippling)• Aquarell…Aquarell…



4.1 Grundlagen4.1 GrundlagenObjektraum-AlgorithmenObjektraum-Algorithmen Bildraum-AlgorithmenBildraum-Algorithmen

Arbeiten im 3 Dimensionalen Raum

Arbeiten im 2 Dimensionalen Raum

Geometrische DatenverarbeitungGeometrische Datenverarbeitung BildverarbeitungBildverarbeitung

Arbeiten auf der Ebene der Objekte, mit der Genauigkeit ihrer Definition

Die Genauigkeit der Berechnung entspricht der Bildschirmauflösung

Pseudocode: Pseudocode:

„„for each Object do…“for each Object do…“Pseudocode:„for each Pixel do…“

Skalierungen/ Drehungen erfordern keine erneute Berechnung

Skalierungen/ Drehungen erfordern eine erneute Berechnung ( keine Frame-Kohärenz, „Shower Door Effekt“)




Toon Shading:

Eine Rendering Technik, die verwendet wird um den 2D Effekt von Cartoons zu erzeugen




Charakteristika:Charakteristika:• große Farbflächen mit maximal 3 große Farbflächen mit maximal 3

SchattierungsstufenSchattierungsstufen• SilhouettenSilhouetten• einfache Gestaltungeinfache Gestaltung• Beschränkung auf wichtige Beschränkung auf wichtige

ElementeElemente

Motivation:Motivation:

„„Einfache“ Erstellung von Cartoons/ ZeichentrickfilmenEinfache“ Erstellung von Cartoons/ Zeichentrickfilmen




Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum):Verfahren zur Farbgebung (im Objektraum):

• Für jede Farbe 2-3 Abstufungen Für jede Farbe 2-3 Abstufungen (Licht-/ Schattenfarbe)(Licht-/ Schattenfarbe)

• Jedem Polygon wird eine Farbe Jedem Polygon wird eine Farbe zugeordnetzugeordnet

• Zuordnung der richtigen Zuordnung der richtigen Abstufung durch Bestimmung Abstufung durch Bestimmung des Winkels zwischen des Winkels zwischen Normalenvektor N und Vektor Normalenvektor N und Vektor zur Lichtquelle Lzur Lichtquelle L

1D Textur1D Textur

OberflächeOberfläche




Silhouetten (Bildraumverfahren)Silhouetten (Bildraumverfahren)

• Tiefenkarte extrahierenTiefenkarte extrahieren• Kantenerkennung darauf Kantenerkennung darauf

anwendenanwenden

• Normalenkarte erstellenNormalenkarte erstellen• Kantenerkennung Kantenerkennung

darauf anwendendarauf anwenden




Kombinieren der beiden Ergebnisse:Kombinieren der beiden Ergebnisse:

Anwendung auch bei technischen IllustrationenAnwendung auch bei technischen Illustrationen::




Computer Sketching:Computer Sketching:

Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die Das Verfahren, mit Hilfe eines Computers Bilder zu erstellen, die aussehen wie handgezeichnete Skizzenaussehen wie handgezeichnete Skizzen



4.3 Computer Sketching4.3 Computer SketchingMotivation:Motivation:

• Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu Skizzen sind gute Möglichkeit erste Entwürfe zu präsentieren präsentieren (Anwendung z.B. in der Architektur)(Anwendung z.B. in der Architektur)

• Exakte Darstellung wirkt oft sehr sterilExakte Darstellung wirkt oft sehr steril

Mögliche Verfahren:Mögliche Verfahren:a.a.Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der Modifizieren des Ausgabegeräts bzw. der

Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter)Schnittstelle dazu (-> Freihandplotter)b.b.Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum)Bearbeiten des 2D Bildes (im Bildraum)c.c.Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum)Bearbeiten des 3D Modells (im Objektraum)



4.3 Computer Sketching4.3 Computer SketchingObjektraum-Verfahren:Objektraum-Verfahren:

• Linien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzenLinien um einen zufälligen Faktor verlängern/ verkürzen

• Linien spaltenLinien spalten

• Mittelpunkte der Linien verschiebenMittelpunkte der Linien verschieben




Halftoning (Halbton-Verfahren): Halftoning (Halbton-Verfahren):

Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich Verfahren zur Darstellung von Bildern, die ursprünglich kontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farbenkontinuierliche Farbverläufe haben, durch limitierte Farben




• Problem: Problem:

Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker Bilder haben kontinuierliche Graustufen – Drucker konnten nur Schwarz-Weiß druckenkonnten nur Schwarz-Weiß drucken

• Ziel: Ziel:

Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder Aus bestehenden Bildern „druckbare“ Bilder möglichst hoher Qualität erzeugenmöglichst hoher Qualität erzeugen



4.4 Halftoning4.4 HalftoningVerfahren:Verfahren:

• Eingabe: GraustufenbildEingabe: Graustufenbild

• Zusammenfassen von Pixeln zu PixelgruppenZusammenfassen von Pixeln zu Pixelgruppen

• Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Berechnung der durchschnittlichen Intensität der Pixelgruppen im GraustufenbildPixelgruppen im Graustufenbild

• Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß-Ersetzen der Gruppen durch entsprechende Schwarz-Weiß-Muster (gespeichert in einer Matrix)Muster (gespeichert in einer Matrix)

22 99 44

66 11 88

77 33 55




Ausnutzen der Auflösung des Menschlichen AugesAusnutzen der Auflösung des Menschlichen Auges




Beispiel:Beispiel:




- BildBild Screening:Screening:

Variante des Halftonings bei der Variante des Halftonings bei der der Benutzer mehr Kontrolle der Benutzer mehr Kontrolle über die entstehenden Muster über die entstehenden Muster erhälterhält




Vorgehen:Vorgehen:

• Eingabe: Eingabe: • Graustufenbild SGraustufenbild S

• Graustufenbild eines Musters MGraustufenbild eines Musters M

• Muster zyklisch auf Bildgröße erweiternMuster zyklisch auf Bildgröße erweitern

• Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Vergleichen der Intensität I eines Pixels p im Graustufenbild S (IGraustufenbild S (ISS(p)) mit dem entsprechenden (p)) mit dem entsprechenden Pixel in M (IPixel in M (IMM(p))(p))

• IISS(p) > I(p) > IMM(p) (p) Pixel wird gesetzt, sonst nicht Pixel wird gesetzt, sonst nicht




Screening mit TextenScreening mit Texten




Stippling (Punktierung): Stippling (Punktierung):

Das Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellenDas Verfahren, Bilder aus vielen kleinen Punkten zu erstellen



4.6 Stippling4.6 Stippling• Motivation:Motivation:

• Liefert sehr klare IllustrationenLiefert sehr klare Illustrationen

• Anfertigung per Hand extrem aufwändigAnfertigung per Hand extrem aufwändig

• Anwendung: Anwendung: • Bei wissenschaftlichen und technischen IllustrationenBei wissenschaftlichen und technischen Illustrationen

• Als KunstformAls Kunstform

• In PrintmedienIn Printmedien




Charakteristika:Charakteristika:• Punkte simulieren Ton und Punkte simulieren Ton und

TexturTextur• Gleichmäßige Gleichmäßige

Punkteverteilung (i.d.R. Punkteverteilung (i.d.R. ohne Muster)ohne Muster)




Lösungsansatz (im Objektraum):Lösungsansatz (im Objektraum):

• Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“Verwenden von „priorisierten Strich-Texturen“




• Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung Andere „Pen & Ink“ Styles durch Verwendung anderer Stich-Texturen erzielbaranderer Stich-Texturen erzielbar




• Noch viele weitere mögliche TechnikenNoch viele weitere mögliche Techniken

• Bei weiterem Interesse:Bei weiterem Interesse:• „„Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas Non Photorealistic Computer Graphics“ (Thomas

Strothotte, Stefan Schlechtweg)Strothotte, Stefan Schlechtweg)

• http://www.red3d.com/cwr/npr/http://www.red3d.com/cwr/npr/



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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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