Amiga Collections: Taifun

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/ Amiga Collections: Taifun / Taifun 032 (1987-11-15)(Ossowski, Stefan)(DE)(PD).zip / Taifun 032 (1987-11-15)(Ossowski, Stefan)(DE)(PD).adf / RAY 1.0 < prev next >

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Text File | 1989-01-18 | 43KB | 853 lines

/**************************************************************************/ * * * DIESES FILE IST NICHT TEIL DES ORIGINAL DBW_RENDER-PAKETS * * ~~~~~ * * es wurde im September 1987 von mir hinzugefügt * * es beansprucht KEINERLEI Rechte ! * * * * Für Details über die Rechte an DBW_Render lest bitte das * * File COPYING und den Beginn von RAY.DOC ! * * * /**************************************************************************/ ********** *********** ****** Anleitung zum Ray-Tracer DBW_RENDER von D.B.WECKER ******* ********** *********** ************************************************************************ ********** Übersetzt von Andreas Werner *********** ******** Sept 1987 / Blumenstr.13 ******* ********** 7ooo Stuttgart - 1 *********** ************************************************************************ INHALT: ~~~~~~~ Einleitung Inhalt des Programmpakets Weiterentwicklungen Hintergrund-Infos RAY RAY2 DISPLAY Schreiben eines .DAT-Files Quellcode-Infos EINLEITUNG: ~~~~~~~~~~~ Wer die schon früher erschienenen Ray-Tracing Bilder mag, wird DBW_Render lieben. Dieses Paket ist eine KOMPLETTE übertragung des Ray-Tracers,den der Autor auf einer VAX benutzte, um solche Bilder zu erstellen.(it's really phantastic!!!). Er läuft auf einem Standard-Amiga mit 512k Ram (und kann, wenn nötig, für 256k umgestellt werden). Durch die Hinzufügung von AI-heuristics(??) wird die Rechenzeit in die Größenordnung einer VAX-780 gerückt (auch wenn der Amiga weder Fliesskomma-Prozessor noch virtuellen Speicher besitzt)! Ohne AI-heuristics benötigt z.B. das Bild 'glass' auf einem Amiga 50 Std. Mit den Heuristics sind es - bei voller Auflösung - nur 11 Stunden! INHALT DES PAKETS: ~~~~~~~~~~~~~~~~~~ RAY - Ray-Tracing Programm RAY2 - Post-Prozesseor, um das IFF/ILBM-Format zu erzeugen DISPLAY - Zeigt die von RAY2 erzeugten Bilder *.DAT - Eingabe-Dateien (ASCII) für RAY *.TMP - RAY Ausgabe-Dateien *.ILBM - RAY2 Ausgabe-Dateien *.c - Alle MANX-Aztec C Quellcodes des Pakets *.h - Alle MANX-Aztec C Include-Dateien RAY.DOC - Komplette Anleitung COPYING - Generelle Lizens-Bestimmungen BITTE lest die Lizens-Bestimmungen (File 'COPYING'), bevor ihr weiterlest! WEITERENTWICKLUNGEN: ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Abhängig vom Interesse an diesem Programm, wird der Autor an folgenden Updates weiterarbeiten : DBW_ED3D ein 3-dimensionaler Grafik-Editor (sodaß man die Eingaben für RAY nicht mehr mathematisch angeben muß, sondern ein- fach zeichnen kann. DBW_FILM womit eine Filmsequenz aus HAM-Bildern möglich wird (dann könnt ihr eure eigenen "Juggler"-ähnlichen Demos machen). -------- eine Version des Programms für die Verwendung mit Speicher- erweiterung und Fliesskomma-Coprozessor. -------- Verbesserungen und Erweiterungen zum bestehenden Paket. HINTERGRUND-INFORMATIONEN: ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Das DBW_Render Paket benutzt einen sogenannten 'Distributed Ray Tracing- Alogarithmus'. Über eine ganz nette Lösung des Problems der 'versteckten Linien' hinaus, bietet Ray-Tracing (generell) die Möglichkeit für sehr realistische Schattierungs- und Beleuchtungs-Berechnungen. Dieses Programm ist in MANX-Aztec C geschrieben und läuft auf jedem Amiga. Das RAY-Programm kann Bilder erzeugen, die aus vier einfachen geometrischen Objekten aufgebaut sind: Kugeln, Parallelogramme, Dreiecke und flache Ringe. Hier einige der Besonderheiten des Programms: - Bestimmung korrekter Schatten, erzeugt von beliebig platzierten Lichtquellen, geworfen von beliebig geformten Objekten auf beliebig geformte Objekte. - Diffuse und theoretische Reflexionen (mit beliebigem Glanz oder Politur). Bildung von diffus reflektiertem Licht zwischen den Objekten, was unter anderem sehr gut Farbverwischungen bei benachbarten, kontrastreich gefärbten Objekten simuliert. - Spiegelungen mit einstellbarer Glätte und Zustand der Oberfläche. - Lichtbrechung und Transparenz (was mikroskopisch feine Oberflächen- Strukturierungen - ähnlich geätztem Glas - ermöglicht). - Zwei Arten von Lichtquellen: direktes Licht (paralelle Lichtstrahlen) mit konstanter Intensität und kugelförmiges Licht (wie Glühbirnen, die entsprechend einer Funktion aus Radius und Entfernung einen Halbschatten werfen), wobei hier die Intensität mit dem umgekehrten quadratischen Gesetz abnimmt. - Photographische Tiefenschärfe. D.h. die virtuelle Kamera kann auf ein bestimmtes Objekt in der Szene eingestellt werden, wobei noch die Blende verstellt werden kann, um die Tiefenschärfe anzupassen. - Räumliche Strukturierung. Normalerweise wird ein einzelnes Objekt (sagen wir eine Kugel) betrachtet, als hätte sie gleichmäßige Eigenschaften, was oft unecht wirkende Gebilde zur Folge hat. Räumliche Strukturierung ist ein Weg, die Oberflächen-Eigenschaften alogarithmisch zu verändern (sodaß die ganze Oberfläche nicht mehr gleichmäßig ist), um ein Material der realen Welt darzustellen. Bis jetzt kann das Programm Holz, Murmeln, Backsteine, schnee- bedeckte Berge, Wasser (mit beliebigen Wellen) und einige abstrakte Dinge wie Farbverläufe erzeugen. - Fractals. Das Programm enthält auch, was bekannt ist als 'Rekursive Dreiecks-Teilung' und allerlei natürlich aussehende Gebilde hervor- bringt (z.B.Felsbrocken,Berge,etc.). Die Eigenschaften des fraktalen Gebildes (Grad der Feinheit,Verzerrung,etc.) wird mit Parametern des Programms eingestellt. - AI-heuristics, um die Rechenzeit einer Szene auf eine bestimmte Länge festlegen zu können. Wenn das RAY-Proramm läuft, liest es eine Art Kommando-Datei ein, die eine geometrische Beschreibung der darzustellenden Szene incl. der gewünschten Beleuchtung, Kameraposition, usw. enthält. Dann rechnet das es lange Zeit und schreibt dabei jede errechnete Zeile auf Disk. Hier das Format einer solchen Zeile (im .TMP-File): <Zeile Nummer> - 2 Bytes <Rote Pixels> - 160 Bytes (4 Bytes pro Pixel) <Grüne Pixels> - 160 Bytes ( " ) <Blaue Pixels> - 160 Bytes ( " ) Für einen ganzen Bildschirm (400 Zeilen) ist dieses File 192.800 Bytes lang. Ein zweites Programm (RAY2) wird benötigt, um eine der drei folgenden Auflösungen für das Ausgabe-File zu generieren : 4096 Farben (HAM-Modus) Interlaced bei 320x400 Auflösung 32 Farben Interlaced bei 320x400 " 32 Farben bei 320x200 " (DP-Format) Alle Dateiformate entsprechen dem IFF/ILBM Standard und können mit dem mitgelieferten DISPLAY-Progamm angesehen werden. Alles in allem repräsentiert das DBW_Render-Paket über 4000 Zeilen C-Quellcode. Es basiert weitestgehend auf original Alogarithmen für die VAX von Tom Dahl und Tone Engel bei Digital Equipment Corporation. Die Übertragung auf den Amiga hat mehrere Monate gedauert. RAY : ~~~~~~~ ZUR ERINNERUNG: BEVOR IHR IRGENDETWAS STARTET, MACHT EINE KOPIE DIESER ORIGINAL-DISKETTE !!! Sobald man ein Eingabe-File hat (Beschreibung weiter unten bei "Schreiben eines .DAT-Files"), kann man den Ray-Tracer starten. Denkt aber daran, daß die Ausgabe von RAY für einen ganzen Screen 192.800 Bytes oder über 400 Blocks beträgt. Vergewissert euch also, ob noch genug Platz auf der Diskette ist. Es ist NICHT möglich die Ausgabe in die RAM-Disk umzuleiten (Guru läßt grüßen)! Außerdem müßt ihr den Stack auf mindestens 10000 her- aufsetzen (1> stack 10000). Wenn nun das Eingabe-File z.B. 'glass.dat' heisst, kann RAY mit 1> ray glass gestartet werden. Alle Optionen müssen im .DAT-File abgespeichert sein. Seht euch das File 'glass.dat' auf dieser Disk mal an (1> type glass.dat). Das Programm produziert beim Laufen ein Ausgabe-File Namens 'glass.tmp'. Wenn ein anderer Name für das Ausgabefile als für das Eingabefile ge- wünscht wird, kann man den Ray-Tracer auch nur mit 1> ray starten. Dieser fragt dann nach dem Input-File: Scene description file? worauf man mit 'glass.dat' antworten kann. Das Programm fordert daraufhin den Namen des Output-Files: File name to save picture (.tmp)? worauf man z.B. mit 'df1:glass.tmp' antwortet. Das Programm wird nun das Bild errechnen. Beachtet, daß IMMER vier extra Zeilen vor und nach der Szene gerechnet werden. Bei einem vollen Screen von 400 Zeilen beginnt das Programm also mit Zeile -4 und endet mit Zeile 403. Das liegt daran, daß die AI-heuristics eine ganze Zeile zwischenspeichern müssen, bevor sie sie ausgegeben können. Wenn das Programm fertig ist, gibt es einige Statistiken über das Bild aus. Am interessantesten sind dabei die 'GUESSED'(vergessenen), im Gegen- satz zu den 'COMPUTED'(gerechneten) Pixels. Dies gibt einen Hinweis auf die zu erwartende Qualität des Bildes (0=perfekt). Diese Zahlen werden von der im Kommando-File angegebenen Rechenzeit ('R') bestimmt. RAY2 : ~~~~~~~~ Nachdem RAY seine Arbeit getan hat, kann das (oder die) Ausgabe-.TMP-File von RAY2 nachbearbeitet werden. Aus folgenden Gründen können mehrere Files angegeben werden: 1) Falls die Maschine abstürtzt und man konnte einen Teil retten, so kann dieser weiterverwendet werden. 2) Man kann das Bild in Streifen rechnen lassen. 3) Wenn einige Teile aufgrund zu geringer Rechenzeit verwaschen sind, kann man sie auf diese Weise nachberechnen lassen. Das alles wird klarer wenn wir das Beispiel mit 1> ray2 glass starten. Nun wird die Datei 'glass.tmp' (Ausgabe von RAY) geöffnet.Beim Lesen werden die am meisten verwendeten Farben herausgesucht, ein Custom- Screen geöffnet und das Bild gemalt .Dann werden die Daten wieder vom Bild- schirm gelesen und in eine neue Datei 'glass.ilbm' geschrieben. Wenn das Programm fertig ist, blinkt der Bildschirm kurz auf und man kann das Programm mit einem unsichtbaren Schliess-Gadget links oben beenden. Während das Programm in die Ausgabedatei schreibt, wird der erste Pixel jeder Zeile invertiert, sodaß man den Vorgang am Bildschirm verfolgen kann. Hier ein Beispiel, bei dem alle Optionen von RAY2 verwendet werden: 1> ray2 -c 1 -h 1 -l 1 -o glass.ilbm glass Die Optionen sind: -c = Komprimiertes Datenformat (0 oder 1) (default = ja = 1) -h = Hold-And-Modify Modus (0 oder 1) (default = ja = 1) -l = Interlace Modus (0 oder 1) (default = ja = 1) -o = Name des RAY2-Ausgabe-Files <name> = ein bis zu 10 Buchstaben langer Filename Das gezeigte Beispiel wird genau das gleiche Bild ergeben, wie das vorher- gehende (weil nur die default-Werte genommen wurden). Wenn wir das ein- fachste Format (DeluxePaint) wollen und wir haben mehrere .TMP-Files, können wir schreiben: 1> ray2 -h 0 -l 0 -o glass.pic glass1 glass2 glass Das Programm übernimmt IMMER (wenn möglich) die Zeilen der vorangehenden Dateien. So enthält zum Beispiel die Datei 'glass.tmp' ein komplettes 12-Stunden Bild. 'glass1.tmp' und 'glass2.tmp' enthalten die Zeilen um die Lichtquellen herum, die im 'glass.tmp'-File verwaschen sind, nur mit einer Auflösung von 24 Stunden, sodaß sie wesentlich besser werden (jedes braucht etwa eine Stunde). RAY2 beinhaltet ebenfalls AI-heuristics, um die 4096 Farben in eine Palette mit 32 Farben umzurechnen (wenn der HAM-Modus abgeschaltet ist). DISPLAY : ~~~~~~~~~~~ DISPLAY wird ganz einfach mit 1> display glass gestartet, worauf 'glass.ilbm' auf dem Bildschirm gezeigt wird. Man kann aber auch den ganzen Namen (z.B.'glass.pic') angeben, wenn er nicht mit '.ILBM' endet. Das Bild wird angezeigt, bis wiederum das unsichtbare linke obere Schliess- Gadget angeklickt wird. Nicht vergessen: Mit <Amiga-n> bzw. <Amiga-m> kann zwischen Workbench- und DISPLAY-Screen umgeschaltet werden. SCHREIBEN EINES .DAT-FILES: ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Okay, nun zum harten Teil: Der Inhalt des Script-Eingabe-Files (.DAT)! Die Datei ist ein Standard ASCII Text File, wobei jede Zeile ein Objekt definiert oder ein anderes Kommando für RAY darstellt. Jede Zeile beginnt mit einem - großen oder kleinen - Buchstaben, der für das jeweilige Kom- mando steht. Die Kommandos sind: R - Auflösung (default = 12.0 Stunden) N - genereller Lichtbrechungs-Faktor (default = 1.0) Z - Erzeugen eines 2D-Histogramms (default = 3D) a - verstärktes Umgebungslicht (default = 0.0) A - Antialiasing (default = kein Antialiasing) F - Tiefenschärfe und Blende der Kamera (default = unendlich) M - generell diffuse Beleuchtung (default = nicht diffus) & - Start- und End-Zeile der Berechnung *,! - Kommentar (wird ignoriert) b - Hintergrund-Farbwerte w - Wellenstruktur g - Farbverlauf n - Schneefall k - 3D-Schachbrettmuster H - genereller Dunst-Faktor (default = keine Vergrauung) f - Fractal-Struktur m - Murmeln-Struktur d - Holz-Maserung e - Kamera-Blickpunkt und -Richtung l - paralleles Licht L - kugelförmiges Licht { - Start einer Erweiterung } - Ende der Erweiterung s - Kugel \ t - Dreieck \ x - Fractal => Objekte q - Paralellogramm / r - Ring / Zunächst einmal bestehen alle Farbangaben aus drei Zahlen zwischen 0 und 1. Die Reihenfolge ist BLAU, GRüN, ROT. Alle Positions- und Richtungsangaben sind aus drei zueinander relativen Werten mit freier Maßeinteilung zusammengesetzt, und zwar in der Reihen- folge 'X,Y,Z'. Angenommen man schaut in negativer Z-Richtung in den Bildschirm, dann ist positiv-X nach rechts, positiv-Y nach oben und positiv-Z senkrecht aus dem Bildschirm heraus. Okay, nun zu den Eigenheiten der einzelnen Parameter. Zuerst kommen die generellen Kommandos (Strukturdefinitionen usw.), dann folgen die Kommandos, die die Objekte definieren. Genereller Lichtbrechungs-Faktor ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ N INDEX (0-1) Dieser Wert wird als Index für die Lichtbrechung der Luft verwendet. Auflösung ~~~~~~~~~ R AUFLÖSUNG (1.0-30.0) Die Auflösung bestimmt die MAXIMALE Rechenzeit für einen 400-Zeilen- Bildschirm. Sie wird in Stunden angegeben und sollte zwischen 1.0 und 30.0 liegen. Je mehr Zeit das Programm bekommt, desto besser wird natürlich auch das Bild. Erzeugung eines 2D-Histogramms ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Z FLAG (0/1) Normalerweise entspricht der Inhalt eines .TMP-Files, das RAY produziert einer binären Pixel-Version der Szene. Wie auch immer, um die Berechnung einer Szene mit Antialiasing zu beschleunigen, kann man in der Kommando-Datei den Befehl 'Z 1' angeben. Dann wird das Bild als eine Art 2D-Histogramm in Graustufen im .TMP-File abgelegt (je heller, desto mehr Rechenschritte werden für einen Pixel benötigt). Dieser Befehl ist aber nur sinnvoll, wenn der Antialiasing-Wert 'A' nicht auf default (1 1.0) steht. Wenn doch, wird grundsätzlich die gleiche Zeit für jeden Pixel aufgewendet, und das Z-Kommando führt zu einer einheitlich grauen Fläche. Der A-Befehl aber sagt dem Ray-Tracer, daß er sich auf bestimmte Details konzen- trieren soll,um dadurch ein Aliasing-freies Bild zu erzeugen. Mit dem Z-Kommando kann man nun die besonders rechenintensiven Bereiche (wo der Ray-Tracer Kanten glättet) sichtbar machen. Verstärktes Umgebungslicht ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ a FAKTOR (0.0-1.0) Wie weiter unten beschrieben, enthält jedes Objekt einer Szene Para- meter, die kontrollieren, wie hell das Objekt erscheint, wenn kein Licht darauf fällt. Man kann also ein Objekt im Schatten heller darstellen, als ein anderes. Alternativ kann man einen FAKTOR von 0 bis 1 angeben und das Umgebungslicht wird als Bruchteil seiner diffusen Helligkeit dargestellt. Wenn dieser Parameter angegeben wird, haben die BGR-Umgebungslicht-Werte der einzelnen Objekte keine Wirkung mehr (müssen aber trotzdem definiert werden). Ein annehmbarer Anfangswert für FAKTOR liegt zwischen 0.1 und 0.2. Antialiasing ~~~~~~~~~~~~ A ANZAHL THRESHHOLD Beim default-Wert (1,1.0) berechnet der Ray-Tracer für jeden Pixel des Bildes genau einen (Licht-)Strahl (ein 320x400 Pixel großes Bild ergibt also ca. 128000 Strahlen). Desöfteren entstehen bei digitaler Generierung eines Bildes mit nur einem Strahl unangenehme Nebeneffekte. So werden zum Beispiel diagonale Linien als abgesetzte Treppenstufen dargestellt -- diese fürchterlichen Zacken! Solche falschen Erschei- nungen werden 'Aliasing Effekt' genannt. Es wurden vielerlei Tech- niken erfunden, um die Auswirkungen dieses Effekts zu reduzieren, die sich alle auf Anti-Aliasing beziehen (es gibt noch viele andere Arten von Aliasing-Effekten neben Zacken. Ein weiteres Beispiel sind die messerscharfen Schatten, die man traditionellerweise in Computer- Bildern findet -- reale Schatten sind immer ein bißchen verschwommen). Die ANZAHL gibt an, wieviel Strahlen pro Pixel verfolgt werden; je mehr, desto besser, aber desto langsamer geht's. Ein guter Start- Wert ist 4. Es wird dann ein Bündel von vier Strahlen zufällig in den 'Pixel-Kegel' geschickt, die über die horizontale und vertikale Dimension verteilt (distributed) sind; daher sagt man, daß dieser Ray-Tracer 'Distributed Ray Tracing' beherrscht. Der THRESHHOLD-Wert bezieht sich auf eine etwas kompliziertere Eigenschaft des Ray-Tracers, genannt 'Statistically Optimized Distri- buted Ray Tracing' (statistisch optimierte verteilte Strahlen-Verfol- gung). Das geht so vor sich, daß das Programm die Stärke der ein- zelnen Strahlen des Bündels berechnet, die auf den Pixel 'verteilt' werden; also die statistische Abweichung der z.B. vier Intensitäten. Wenn die Abweichung klein ist, ist es wahrscheinlich, daß dies eine glatte Stelle im Bild ist. Es wird also eine gute Annäherung an die Original-Intensität des Pixels erreicht. Aber angenommen, der Pixel befindet sich gerade an einer diagonalen Kante, so werden einige der Strahlen auf die eine Fläche geworfen und einige auf die andere. Die Abweichung wird also groß sein. Das Programm beachtet dies, und wenn die Abweichung den THRESHHOLD-Wert überschreitet, 'verteilt' es eine weitere Gruppe von (in diesem Fall) vier Strahlen auf den Pixel. Nun wird die Intensi- täts-Abweichung der acht Strahlen errechnet und der Vorgang wieder- holt, bis entweder die gewünschte Glätte, oder die beliebig einge- stellte maximale ANZAHL Strahlen erreicht ist. THRESHHOLD-Werte größer oder gleich 1.0 bewirken keine extra Bündel außer dem mit ANZAHL angegebenen. Sinnvolle Werte für THRESHHOLD liegen im Bereich von 0.0001 bis 0.1. Tiefenschärfe und Blende der Kamera ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ F BLENDE ENTFERNUNG Wenn dieses Kommando weggelassen wird, werden alle Objekte perfekt Scharf abgebildet. Mit ihm kann man aber nun Tiefenschärfe-Effekte erzielen (was die Rechenzeit wiederum erheblich steigert!). Die BLENDE bestimmt die Größe der Kameralinse. Sie hängt wie auch die ENTFERNUNG vom verwendeten Koordinatensystem ab; aber vorausgesetzt eine Einheit steht für einen Zentimeter und die ENTFERNUNG beträgt 100 Einheiten, dann sollte sich BLENDE zwischen 0.5 und 2.0 bewegen. Um einen sanften Verlauf von Vordergrund zu Hintergrund zu er- reichen, muß man den Anti-Aliasing Parameter (A-Kommando) ANZAHL auf, sagen wir, 20 bis 30 und THRESHHOLD auf 1.0 setzen. Generell diffuses Licht ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ M ANZAHL ZÄHLER NENNER Dieser Befehl bezieht sich auf die realistische Ausbreitung des Lichts, wenn es von Objekt zu Objekt reflektiert wird. Üblicherweise werden bei einer computerberechneten Beleuchtung die Oberflächen der Objekte ent- sprechend ihrer Farbe, ihres Materials und der Stärke des Lichts ein- gefärbt. Die Teile, die nicht direkt im Licht liegen werden schwarz gezeichnet. Nun, das sieht sehr künstlich aus und deshalb wird den schattigen Bereichen ein konstanter Farbwert zugeordnet (hier mit dem 'a'-Kommando bzw. dem individuellen Umgebungslicht(s.u.)). In der Realität gibt es aber auch im Schatten Licht, das von anderen Gegenständen reflektiert wird. Dazu dient der 'M'-Befehl (leider erhöht sich dadurch die Rechenzeit wieder einmal mehr). Das Programm sammelt nun für jeden Pixel weitere zufällige Strahlen, um zu ergründen, was in der näheren Umgebung noch als Reflektor arbeitet. Die ANZAHL be- stimmt dabei, vieviel Strahlen hinzugenommen werden. Werte von 10 an aufwärts sind möglich; bei 100 und mehr erhält man weiche Farbverläufe. ZÄHLER UND NENNER haben mit der rekursiven Natur des Ray-Tracings zu tun: angenommen, ein Strahl wird berechnet, der auf die dargestellte Oberfläche fällt und dabei auch die benachbarte Fläche berührt. Von dieser Fläche wird nun auch ein Strahlenbündel genommen, um ihre Farbe zu berechnen usw. Dabei schwillt die Anzahl der Strahlen exponentiell an. Um das zu verhindern, wird für jede Rekursion die Anzahl der Strahlen auf einen Bruchteil von ANZAHL gesetzt. Dieser Bruch wird mit ZÄHLER und NENNER angegeben und sollte bei bei 1/3 bis 1/4 liegen. Start- und End-Zeile ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ & START ENDE Wird der Befehl weggelassen, wird ein komplettes Bild mit 320x400 Pixel errechnet. Das Programm geht von Zeile START bis ENDE-1. Man kann komplexere Szenen auch in Stücken rechnen und mit RAY2 nachher zusammenmischen. Hintergrund-Farbe ~~~~~~~~~~~~~~~~~ b BLAU GRüN ROT Einfach die drei Farbwerte für den Hintergrund. Wellenstruktur ~~~~~~~~~~~~~~ w ZENTRUM-X Y Z WELLENLÄNGE AMPLITUDE DÄMPFUNG PHASE Einige Parameter des Programms benutzen Wellenformen als Basis für ihre Effekte (am auffälligsten bei geriffelten Oberflächen,z.B.Wasser). Man kann bis zu 100 Wellenformen pro Szene definieren wobei das Pro- gramm eine Wellenform-Tabelle anlegt, auf die die jeweiligen Befehle zugreifen. Die ersten drei Zahlen (ZENTRUM-X Y Z) legen die Mitte der konzentrischen Welle fest. WELLENLÄNGE ist die Strecke von einem Wellenberg zum nächsten. AMPLITUNDE gibt die Höhe der Welle durch einen Wert zwischen 0.1 (flach) und 0.5 (hoch) an. Mit DÄMPFUNG stellt man die Abnahme der Höhe bei Entfernung vom Mittelpunkt ein. 1.0 be- deutet: keine Dämpfung; bei 0.7 beträgt die Höhe der folgenden Welle 70% der vorhergehenden. PHASE bestimmt die Starthöhe der Welle. Die Werte gehen von 0.0 (Wellenberg) über 0.5 (Tal) bis 1.0 (Berg). Das kann bei Bildsequenzen bewegtes Wasser simulieren. Farbverläufe ~~~~~~~~~~~~ g FARBE-BLAU GRüN ROT START BEREICH Normal hat ein Objekt von oben bis unten die gleiche Farbe. Mit diesem Kommando aber kann man einen Verlauf der Farbe in Richtung der Y-Achse programmieren. Bis zu 10 solcher Verläufe sind möglich. FARBE-BLAU GRÜN ROT bestimmt die Farbe, zu der die Grundfarbe des Ob- jekts (angegeben unten bei 'diffuses Objektlicht') hin verläuft. START definiert die Y-Koordinate, bei der diese überblendung beginnen soll. Alle Punkte darunter werden in der Grundfarbe des Objekts gemalt. BEREICH gibt die Y-Einheiten an, über die sich der Verlauf erstreckt. Alle Punkte oberhalb START+BEREICH werden in der mit FARBE-B G R bestimmten Farbe gemalt. Schneefall ~~~~~~~~~~ n START BEREICH FAKTOR THRESHHOLD Diese Oberflächenstruktur ist den Farbverläufen sehr ähnlich (und außerdem noch in Arbeit). Sie ist hauptsächlich für die unten be- schriebenen Fractalen Gebilde gedacht, um sozusagen Schnee darauf zu verteilen; und zwar je höher, desto mehr. START ist die Y-Koordinate, ab der überhaupt Schnee liegt. BEREICH gibt die Höhe des schneebedeckten Feldes an. Der Teil oberhalb von START+BEREICH ist ganz bedeckt. FAKTOR ist ein Regler, um die Stärke des 'Schneefalls' in Abhängigkeit von der Höhe zu setzen. Bei 0.0 findet keine Beeinflussung statt. Werte über 1.0 resultieren in einem schnelleren Aufbau der Schneedecke schon am unteren Rand von BEREICH (?;siehe Beispiel 'island.dat'). Mit THRESHHOLD läßt sich eine Beziehung zwischen Höhe, Steigung und Schneedecke herstellen. Bei 0.0 wird alles ab START ganz bedeckt sein; bei Werten zwischen 0.0 und 1.0 resultiert die Schneedecke aus einer Funktion aus Steigung und Höhe. Bei THRESHHOLD 0.4 wird die Oberfläche ab etwa 40 Grad Steigung zuneh- end mit Schnee bedeckt. 3D-Schachbrett-Muster ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ k FARBE-BLAU GRÜN ROT X Y Z JUNK1 JUNK2 JUNK3 Bis zu 10 Schachbrettmuster können definiert werden. Sie können 1- (Schichten), 2- (Schachbrett,Spalten) oder 3-dimensional (Würfel) sein. Aufgrund der Farbe eines Oberflächenpunktes bestimmt diese Funktion, ob der Punkt die Originalfarbe des Objekts, oder die mit FARBE-BLAU GRüN ROT angegebene Farbe bekommt. Um festzusetzen, wel- cher Punkt in welcher Farbregion liegt, gibt es die X Y Z -Parameter. X definiert die Breite, Y die Höhe und Z die Tiefe der aufeinander folgenden Schichten. Beachtet, das ein oder mehrere dieser Parameter auf 0 gesetzt werden können, um die Dimensionalität zu beschränken. Wenn z.B. Y=0 ist ergeben sich waagerechte Schichten abwechselnder Farbe. Wenn alle drei ungleich 0 sind und unterschiedliche Werte haben, entsteht ein 3-dimensionales Blockmuster. Die JUNKs werden in dieser Version noch nicht benutzt und sollten auf 0 gesetzt werden. genereller Dunst-Faktor (Vergrauung) ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ H FARBE-BLAU GRÜN ROT ENTFERNUNG Ohne diesen Befehl ist die Farbe einer dargestellten Oberfläche unab- hängig von der Entfernung zum Betrachter. Bei Benutzung des Dunst- Faktors kan man den Ray-Tracer veranlassen, die Farben der weiter entfernten Objekte kontinuierlich zu der (mit FARBE-B G R) angegebenen Farbe fließen zu lassen (natürlicherweise ein bläuliches Grau). Alle Punkte, die weiter, als ENTFERNUNG vom Kameraauge weg sind, werden in der Dunst-Farbe gemalt, und sind somit unsichtbar. Fractal-Strukturen ~~~~~~~~~~~~~~~~~~ f WIEDERHOLUNGEN VERHÄLTNISS-X Y Z OBERFLÄCHE Diese Struktur kann nur für Fractal-Objekte (s.u. bei 'x'-Kommando) benutzt werden. Bis jetzt kann der Ray-Tracer nur eine kleine Anzahl primitiver Formen bilden, wovon eines das Dreieck ist. Wie beim 'x'-Kommando weiter unten beschrieben, hat er aber die Fähigkeit, komplexe Gebilde zu errechnen, die aus vielen, zusammemhängenden Dreiecken bestehen und 'Stochastische Flächen' genannt werden (oft als fraktale Flächen bezeichnet, obwohl der Zusammenhang zur Mathe- matik der Fractals begrenzt ist). Dieser Befehl definiert die Para- meter, die der Ray-Tracer für die Konstruktion des Dreiecks-Netzes braucht. Um eines von 10 möglichen Fractals definieren zu können, benötigt man mindestens eine Wellenform ('w'-Kommando). Der Vorgang einer Fractal-Erzeugung basiert auf wiederholter Dreiecks-Teilung, unter Verwendung von komplexen Koordinaten-Verschiebungen bei der Bestimmung der Scheitelpunkte des geteilten Dreiecks. Man beginnt mit einem Haupt- Dreieck, das die ungefähre Größe und Lage des Objekts angibt ('x'-Kom.). Das Originaldreieck wird durch Halbierung der Seiten in vier kleinere Dreiecke geteilt, wobei die Ecken der neuen Dreiecke im Raum ver- schoben werden. WIEDERHOLUNGEN gibt an, wie oft die Teilung ausgeführt wird. Je größer diese Tiefe, desto feiner wird die fraktale Oberfläche, aber die Rechenzeit geht wieder 'mal hoch. Außerdem brauchen größere Werte große Mengen an Speicher, da die Daten der generierten Dreiecke dort abgelegt werden (bei einem Wert von '7' z.B. tausende von 512-Byte Speicherseiten, also seid vorsichtig!). Die drei Parameter VERHÄLTNISS-X Y Z erlauben es, die Verzerrung in eine bestimmte Richtung zu lenken (bei X=1 und Z=1 und Y=3.0 entsteht z.B. ein dreimal höher als breites Fractal-Gebilde). Bei VERHÄLTNISSen gleich 0 werden keine Höhenabweichungen in der jeweiligen Richtung aus- geführt (Wenn alle drei 0 sind, sieht man ein flaches Dreieck von oben). OBERFLÄCHE bestimmt eine Struktur für das komplette Fractal (die Werte entnimmt man den unten aufgeführten Objekt-Strukturen). Wie oben erwähnt, braucht man für eine bewegte Fractal-Oberfläche ein paar Wellenformen. Ein guter Anfang sind 5 oder 6, deren Ausgangs- punkte über die ganze Szene verstreut sein sollten. Unterschiedliche Wellenlängen und Amplituden verstärken die Verzerrung des Fractals. Die Wellen-DÄMPFUNG sollte gering sein (um 1.0). Die genaue Art und Weise, wie die Wellen auf das Fractal wirken, liegt jenseits jeder vernünftigen Beschreibung; es genügt zu sagen, daß kein Zufall im Spiel ist, und verschiedene Wellenformen ergeben ausgesprochen unterschied- liche Formen; experimentiert !((und wartet...)) Murmel-Strukturen ~~~~~~~~~~~~~~~~~ m INBLAU INGRüN INROT XMAß TURBULENZ DICKE Man kann bis zu 10 Murmel-Strukturen definieren. Hier benötigt man ebenfalls mindestens eine Wellenform. Murmeln bestehen aus einem Basismaterial und Einschlüssen aus einem anderen Stoff. Die Grundfarbe wird durch die Angabe bei 'diffuse Re- flexion' (s.u.) festgelegt. Die Farbe der Einschlüsse wird durch INBLAU INGRüN und INROT bestimmt. Die resultierende Farbe ist ein komplexer Verlauf der beiden Materialfarben. Es werden ein paar Schichten entlang der X-Achse, zunächst alle an derselben Stelle, positioniert. Ihre Breite wird mit XMAß angegeben (Werte von 0.1 bis 1.0). Dann wird die TURBULENZ hinzugefügt, um die Schichten in unzählige Windungen und Streifen zu verwandeln. Werte zwischen 1.0 und 3.0 sind ganz hübsch. Die grobe DICKE der Streifen wird mit einem Integer (ganze Zahl) angegeben, wobei '1' normale, '2' halbe, '3' ein viertel der Dicke usw. ergibt. Die Turbulenz wiederum wird von den definierten Wellenformen beein- flusst. Die Beziehung zwischen einer bestimmten Wellenform und der resultierenden Turbulenz ist unmöglich vorherzusagen. Alles was getan werden kann, ist, grobe Richtlinien für die Parameterwerte zu geben. Zunächst werden 4 oder 5 Wellenformen benötigt. Die Zentren sollten gut über die ganze Szene verteilt sein. Die Wellenlängen sollten stark variieren (manche vier und fünfmal so lang sein, wie andere). Dämpfung sollte keine eingestellt sein (0.95-1.0). Holz-Strukturen ~~~~~~~~~~~~~~~ d BLAU GRÜN ROT STÄRKE RINGMAß TURBULENZ DICKE Wieder sind 10 Holz-Strukturen pro Szene möglich. Wieder muß mindes- tens eine Wellenform definiert sein. Die Holz-Struktur wird ganz ähnlich, wie die Murmel-Struktur erzeugt, außer, daß das Holz nicht aus Schichten aufgebaut wird, sondern aus konzentrischen Röhren des Basismaterials entlang der Y-Achse. RINGMAß entspricht dem XMAß bei den Murmeln, ebenso verhalten sich TUBULENZ und DICKE. STÄRKE kon- trolliert, wie stark oder schwach die Maserung ausgebildet wird. Werte über 1.0 verstärken die Maserung, Werte unter 1.0 dämpfen sie. Kameraposition und Blickrichtung ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ e XPOS YPOS ZPOS XBLICK YBLICK ZBLICK XUP YUP ZUP Die ersten drei Zahlen setzen die Position der imaginären Kamera. Die nächsten drei bestimmen die Richtung relativ zu diesem Punkt und definieren, was zu sehen ist. Die Länge dieses Vektors bewirkt einen 'Tele/Weitwinkel-Effekt', wobei der Bildschirm an seiner Spitze mit einem Verhältnis von 256 zu 170 Einheiten dargestellt wird. Kamera- position und die Länge des Blickrichtungs-Vektors sind also eng mit- einander verknüpft und bilden zusammen den Blickwinkel (oder -Kegel). Die letzten drei Parameter geben eine Höhe an, um die der Blickpunkt heraufgesetzt wird; normalerweise wird man mit 0 1 0 hinkommen. Paralleles Licht ~~~~~~~~~~~~~~~~ l BLAU GRÜN ROT XRICHT YRICHT ZRICHT Die ersten drei Parameter stehen für die Farbe bzw. Intensität der Lichtquelle (1.0 1.0 1.0 entspricht Weiss, 0.5 0.5 0.5 ist dunkles lila). Die restlichen drei Werte geben die Richtung an, aus der das Licht kommt. Bei '1 0 0' z.B. negativ entlang der X-Achse. Man kann maximal 100 Lichtquellen definieren; aber viele Lichter verlaaaaaa- aaangsamen die Sache nocheinmal. Zwei sind vertretbar. Kugelförmiges Licht ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ L BLAU GRüN ROT ZENTRUM-X Y Z AUSBREITUNG RADIUS Das erste Zahlentripel entspricht dem bei parallelem Licht. Die drei nächsten Daten bestimmen die Position des Mittelpunktes, der über- all inner- oder außerhalb des sichtbaren Bereichs liegen kann. Be- achtet aber, daß die Lichtquelle selbst nie sichtbar ist! Wenn man also z.B. eine Glühbirne will, muß man auf die gleichen Koordinaten eine durchsichtige Kugel mit dem gleichen Radius setzen. Die AUS- BREITUNG gehorcht dem umgekehrten quadratischen Gesetz, nach dem die Helligkeit innerhalb der Szene vermindert wird. Um zu verdeut- lichen, wie man einen Wert für AUSBREITUNG findet, hier ein Beispiel: Angenommen, man will mit einer Glühbirne bei vollem Licht (1 1 1) einen Tisch im Abstand von z.B. 37 Einheiten gut ausleuchten, so setzt man AUSBREITUNG auf eben diese 37 Einheiten. Dann werden Gegen- stände, die näher beim Licht liegen überbelichtet und diejenigen, die weiter weg sind als 37 Einheiten, werden immer schwächer beleuchtet. RADIUS bestimmt den Licht aussendenden Kreis, der bei '0' punktförmig ist, was wesentlich schneller zu berechnen ist. Außerdem sollte man bei größeren Radien den Antialiasing-Faktor ('A'-Kommand) hochsetzen, da diese viele Halbschatten erzeugen. Nun endlich zur Definition der einzelnen Objekte. Das können bis zu 1000 pro Szene sein ! Alle Objekte verfügen über die selben grundlegenden Parameter. Genauer gesagt beginnt jede Objekt-Definition mit folgenden Angaben ('*' steht für das jeweilige Objekt-Kommando (s,q,x,t,r)): * STRUKT FUZZ SPIEGEL INDEX TRANSP-B G R UMLICHT-B G R DIFREFL-B G R STRUKT ist ein Integerwert, der dem Objekt eine gewünschte (und defi- nierte) Oberflächen-Struktur zuordnet. '0' bewirkt eine glatte, einheitlich gefärbte Oberfläche. Positive Werte kann man aus folgenden Struktur-Funktionen auswählen : WERT STRUKTUR-FUNKTION ------ ------------------- 1: Farbverlauf in Y-Richtung Angefangen bei Y=0, verläuft die Farbe von rot über blau zu grün und zurück nach rot bei Y=20. Dies wiederholt sich alle 20 Y-Einheiten. 3: Gesprenkeltes Wirrwarr Die Helligkeit der Objekt-Oberfläche wird von einem ge- sprenkelten Muster variiert. Diese Struktur benötigt einige definierte Wellenformen. 4: Wellige Oberfläche Das sieht wie gekräuselte Wellen aus und wenn Reflektion gesetzt ist, werden die Spiegelungen geriffelt. 5: Backsteinmuster Hier wird das Objekt wie eine Backsteinmauer dargestellt. Die Steingröße ist festgelegt auf Höhe=3.0, Breite=4.0 und Länge=8.0; die Mörteldicke beträgt 0.5. Die Farbe der Steine wird durch die 'diffuse Reflektion' des Objekts be- stimmt; die Farbe des Mörtels ist Blau=0.8, Grün=0.85 und Rot=0.99. Die Backsteine liegen entlang der Koordinaten- Achsen. 10...19: Einzelne Welle Wie Struktur 4, nur daß die Oberfläche von nur einer Welle beeinflußt wird. Nummer 10 ist die erste definierte Welle, Nummer 11 die zweite usw. bis zur zehnten (Nr.19). 20...29: Murmel 20 benutzt die erste Murmeldefinition usw. (1-10). 40...49: Holz-Maserung Nimmt entsprechend die definierten Holz-Strukturen (1-10). 50...59: Schachbrett Weist die beschriebenen Schachbrettmuster zu (1-10). 60...69: Fractal-Struktur Das ist eigentlich keine Oberflächenstruktur an sich (in- sofern, als hier keine Farbänderung stattfindet). Sie kann nur bei Fraktalen Objekten ('x'-Kommando) verwendet werden und ordnet dem Objekt die gewünschte Fraktal-Struktur zu. 70...79: Weicher Farbverlauf Verwendet einen der definierten Farbverläufe (1-10). 80...89: Schnee 80 ist die erste angegebene Schneefall-Struktur, 81 die zweite usw. wie bei allen anderen auch bis zur zehnten=89. FUZZ (wörtlich 'Fussel') ist eine Pseudo-Struktur-Wert von 0.0 bis 1.0, der die Oberfläche mit einen Zufalls-'Flaum' überzieht. Das kann verwendet werden, um weiche Oberflächen, ähnlich Tennisbäl- len, alte, verschleierte Spiegel, geätztes Glas oder Änliches darzustellen. SPIEGEL ist ein Wert von 0.0 bis 1.0, wobei '0.0' keine spektralen oder spiegelnden Reflektionen hervorruft, und '1.0' gleich 100% spiegelnd bedeutet. INDEX ist der Index der Lichtbrechung des Objekts. Er wirkt aber nur bei durchsichtigen Objekten (um 1.0). TRANSP-B, -G, -R bestimmen die Transparenz des Objekts für jede Farbe getrennt. Bei '1.0 1.0 1.0' ist es ganz durchsichtig. UMLICHT-B, -G, -R sind Werte für das Umgebungslicht (Helligkeit im Schatten). Bei '1.0 1.0 1.0' bestitzt der Gegenstand sehr STARKES Umgebungslicht, was die Farben aber auch stark auswäscht. DIFREFL-B, -G, -R legt nun endlich die eigentliche Farbe des Objektes fest (natürlich in Abhängigkeit von den gewählten Lichtquellen...) und nennt sich 'diffuse Reflektion'. Glas hat zum Beispiel über- haupt keine diffuse Reflektion während Kalk fast die Werte '1 1 1' erhalten müßte. Man beachte, daß auch irrationale Objekte, z.B. mit 100% Spiegelung und 100% Transparenz, kreiert werden können. Nun zu den einzelnen Objekt-Befehlen. Ihre Parameter FOLGEN (stehen rechts von) den anderen, zuvor aufgeführten Werten ! Zum Beispiel: s strukt fuzz spieg ind trans-BGR uml-BGR difr-BGR ZENTRUM-X Y Z RADIUS - -------------------- Kugel: ~~~~~~ s ... ZENTRUM-X Y Z RADIUS Erklärt sich selbst. Parallelogramm: ~~~~~~~~~~~~~~~ q ... POSX POSY POSZ VL-X VL-Y VL-Z VR-X VR-Y VR-Z Mit POS-X Y Z setzt man eine Ecke des Vierecks irgendwo ins Koordina- tensystem. Die folgenden beiden Zahlentripel sind zwei Vektoren, die zwei Seiten des Parallelogramms relativ zu diesem Eckpunkt bestimmen. Und nun das schwierige daran: auf die Anordnung dieser beiden Vektoren kommt's an. Um es einfach zu sagen: VL ist von 'oben' gesehen der linke und VR der rechte Vektor. Andersherum wird das Objekt unsicht- bar (der Autor empfiehlt allerdings, damit zu experimentieren). Die Vektoren müssen natürlich nicht rechtwinklig zueinander stehen. Dreieck ~~~~~~~ t ... POSX POSY POSZ VL-X VL-Y VL-Z VR-X VR-Y VR-Z Das selbe wie beim Parallelogramm. FRACTAL: ~~~~~~~~ x ... POSX POSY POSZ POS1X POS1Y POS1Z POS2X POS2Y POS2Z Es wird ebenfalls ein Dreieck konstruiert, wobei die drei Eckpunkte - im Gegensatz zum einfachen Dreieck - jedoch absolut anzugeben sind. RING: ~~~~~ r ... ZENTRUM-X Y Z VL-X VL-Y VL-Z VR-X VR-Y VR-Z MINRAD MAXRAD Ringe sind eine Art Parallelogramm. Die beiden Vektoren müssen hier aber rechtwinklig zueinander stehen und bestimmen lediglich die Fläche, in der der Ring mit dem Mittelpunkt ZENTRUM, dem Innenradius MINRAD und dem Außenradius MAXRAD liegt. Bei MINRAD=0 entsteht eine flache Scheibe. Zeilen mit { und } können beliebige Kommandos umschließen und so zusam- menfassen. Dies erlaubt dem Programm durch die Berechnung erweiterter Bereiche um die beschriebenen einfachen Objekte herum und Prüfung der Strahlen-Schnittpunkte optimiertes Ray-Tracing zu betreiben, was schneller ist, als die einzelne Berechnung der eingeschlossenen Objekte. Solche Erweiterungen können auch geschachtelt werden. QUELLCODE-INFOS: ~~~~~~~~~~~~~~~~ Jedes Programm hat sein eigenes Quellcode-Directory: ray_source/ makefile ray.h - alle globalen Definitionen ray.c - Haupt-Modul des Ray-Tracers val.c - momentane Farbintensität eines Objekts hit.c - berechnet, ob ein Strahl auf ein Objekt trifft tex.c - berechnet die Struktur eines Objekts ext.c - behandelt die {,}-Erweiterungen rnd.c - Zufallszahlen-Tabelle mth.c - führt Vektor- und Matrix-Berechnungen aus fil.c - Disk-I/O Routienen int.c - findet Strahlen/Objekt-Schnittpunkte cal.c - oberste Objekte-Berechnungen ray2_source/ makefile ray2.c - Quellcode des Post-Prozessors display_source/ makefile display.c - Quellcode des DISPLAY-Programms Nun versucht mal euer Glück ! Ich wünsche euch jedenfalls viel Vernjüjen und much fun !!! bis denn... , BRÖSEL