Uwe mutz 3d_praesentation

3D-VISUALISIERUNG UND -ANIMATION

UWE MUTZ!
Univ.-Lektor Ing. MSc MAS

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“

MOTIVATION

 Warum 3D?
 Unterschied zwischen „3D-Visualisierung“ und „3D-
Animation“
 3D-Visualisierung:
 Printwerbung
 Logo-Entwicklung
 Nachbilden der „realen Welt“ (statisch)
 Etc.

Uwe Mutz
Univ.-Lektor Ing. MSc
MAS
Am Graben 29
A-4020 Linz
fon +43 (0)732 78.12.95-0

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

 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

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

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MODELLIERUNG

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MODELLIERUNG

 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

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

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MODELLIERUNG

  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

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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 > 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)

Uwe Mutz
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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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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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VOR DEM START

 Grundmerkmale einer Lichtquelle:
 Intensität
 Abnahme

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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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UNTYPISCHE „LICHTQUELLEN“

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TYPISCHE LICHTQUELLEN > PUNKTLICHT

 Punktlicht:
Leuchtet den
Raum
gleichmäßig aus

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TYPISCHE LICHTQUELLEN > SPOTLICHT

 Typ:
kegelförmiger
Verlauf
 Charakteristisch:
Ausbreitungsrich
tung

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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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TYPISCHE LICHTQUELLEN > FLÄCHENLICHT

 Flächenlicht:
 Ähnlich dem
Flächenlicht, nur
rechteckige
Quelle
 Ideal für
„Overhead“

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TYPISCHE LICHTQUELLEN > WEITERE QUELLEN
 Röhre: simuliert das Strahlungsverhalten von einer
Leuchtstoffröhre
 Eckiger Spot

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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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SCHATTENWURF > HARTER SCHATTEN

 Harter Schatten:
  Scharfe Kante am Schattenrand
  Wird oft in der Architektur-
Visualisierung verwendet

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SCHATTENWURF > FLÄCHENSCHATTEN

 Flächenschatten:
  Realistischster Schattenwurf
  Enorm hohe Renderingzeiten

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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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SICHTBARES LICHT
 Grundsätzlich ist Licht nicht sichtbar
 Typ. Anwendungen:
 Rauchige Räume
 Lichtstrahlen simulieren
 Spots im Nebel

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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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SICHTBARES LICHT > „SICHTBAR“

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SICHTBARES LICHT > „VOLUMETRISCH“

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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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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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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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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
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

Uwe Mutz
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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

Uwe Mutz
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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
 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

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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“

Uwe Mutz
MAS
Am Graben 29
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