Kurs für Computergrafik

Lektion 1 • Farbmodelle und Farbräume

Stellt die in Grafikpipelines verwendeten RGB-, HSV- und Wahrnehmungsfarbmodelle vor. Studierende wenden Farbraumkonvertierungen an, die für Anzeige- und Rendering-Workflows relevant sind.

Lektion 2 • Koordinatensysteme und Transformationen

Definiert 2D- und 3D-Kartesische Räume, homogene Koordinaten und grundlegende Transformationen. Baut das mathematische Vokabular auf, das in allen nachfolgenden Kapiteln verwendet wird.

Lektion 3 • Geschichte und Umfang der Computergrafik

Verfolgt die Entwicklung von frühen Rasterdisplays bis hin zum modernen GPU-gesteuerten Rendering. Kontextualisiert die Breite des Feldes in den Bereichen Spiele, Film, Simulation und Visualisierung.

Lektion 4 • Überblick über die Grafikpipeline

Bildet die Stufen vom Geometrieeingang bis zur endgültigen Pixelausgabe in einer Standardpipeline ab. Bietet ein mentales Modell, das jedes in späteren Kapiteln behandelte Thema verankert.

Lektion 1 • Anti-Aliasing und Sampling

Erklärt Aliasing-Artefakte sowie Supersampling, MSAA und filterbasierte Lösungen. Verknüpft die Abtasttheorie mit Entscheidungen zur Bildqualität, die während der gesamten Pipeline getroffen werden.

Lektion 2 • Linienzeichnungsalgorithmen

Behandelt Bresenham- und DDA-Algorithmen für eine effiziente ganzzahlige Linienrasterisierung. Verbindet die pixelgenaue Genauigkeit mit der breiteren Rasterisierungsstufe der Pipeline.

Lektion 3 • Clipping-Algorithmen

Stellt die Cohen-Sutherland- und Sutherland-Hodgman-Algorithmen für das Viewport-Clipping vor. Stellt sicher, dass nur sichtbare Geometrie verarbeitet wird, wodurch die Rendering-Leistung optimiert wird.

Lektion 4 • Polygonfülltechniken

Lehrt Scanline-Fill, Flood-Fill und Kantentabellen-Methoden für das Füllen von Vollpolygonen. Bereitet die Studierenden auf die Dreiecksrasterisierung vor, die in 3D-Pipelines verwendet wird.

Lektion 1 • Quaternionen für Rotation

Stellt die Quaternionen-Algebra als eine von der Kardanblockierung befreite Rotationsdarstellung vor. Behandelt die SLERP-Interpolation für fließende Animationsübergänge zwischen Orientierungen.

Lektion 2 • Netzrepräsentation und Datenstrukturen

Behandelt Vertex-Puffer, Index-Puffer, Half-Edge-Strukturen und Winged-Edge-Netze. Bereitet die Studierenden darauf vor, 3D-Geometrie im Code effizient zu speichern und zu durchwandern.

Lektion 3 • Ansicht und Projektion

Konstruiert Sichtmatrizen mithilfe von Look-At-Formulierungen und leitet Perspektiv- und Orthografische Projektionen ab. Verknüpft die Kameramathematik mit der Vertex-Transformationsstufe.

Lektion 4 • Vektoren und Matrizen im 3D-Raum

Wiederholt Punktprodukt, Kreuzprodukt und Matrixoperationen, die für 3D-Grafiken unerlässlich sind. Etabliert das linear-algebraische Werkzeug, das in jeder nachfolgenden 3D-Berechnung verwendet wird.

Lektion 1 • Lichtquellen und Eigenschaften

Definiert Arten von gerichteten, Punkt-, Spot- und Flächenlichtquellen und deren mathematische Darstellungen. Etabliert die Beleuchtungseingaben, die von allen Schattierungsmodellen verbraucht werden.

Lektion 2 • Ambiente, diffuse und spekulare Schattierung

Leitet die Reflexionsmodelle von Phong und Blinn-Phong komponentenweise her. Die Studierenden implementieren diese Modelle im Shader-Code und passen Materialparameter an.

Lektion 3 • Schattentechniken

Behandelt Schattenkarten, Schattenvolumen und Percentage-Closer-Filtering für weiche Schatten. Verbindet Schattenalgorithmen mit den Tiefenpufferkonzepten aus dem Kapitel über Projektion.

Lektion 4 • Grundlagen des physikalisch basierten Renderings

Stellt die Mikrofacetten-BRDF, Energieerhaltung und den Metallic-Rauhigkeits-Workflow vor. Überbrückt die klassische Schattierung zu modernen PBR-Pipelines, die in der Produktion verwendet werden.

Lektion 1 • Normal- und Bump-Mapping

Leitet das Tangentenraum-Normal-Mapping her und vergleicht es mit objektraum- und welterraumbasierten Varianten. Erweitert die Oberflächendetails, ohne die Anzahl der Netzpolygone zu erhöhen.

Lektion 2 • Grundlagen der Texturzuordnung

Behandelt UV-Koordinaten, Textur-Sampling und Wrap-Modi zum Anwenden von 2D-Bildern auf 3D-Oberflächen. Verbindet Textur-Lookups mit der Fragment-Shader-Stufe.

Lektion 3 • Fortgeschrittene Oberflächenkarten

Behandelt Displacement, Ambient Occlusion, Roughness und Emissive Maps in PBR-Workflows. Integriert mehrere Texturkanäle in eine kohärente Materialdefinition.

Lektion 4 • Mipmapping und Filterung

Erklärt Mipmap-Generierung, trilineare Filterung und anisotrope Filterung für entfernte Oberflächen. Behandelt Aliasing-Artefakte, die durch Texturverkleinerung verursacht werden.

Lektion 1 • Vertex-Shader-Programmierung

Behandelt Vertex-Attribut-Eingaben, Uniform-Buffer und die Implementierung der MVP-Transformation in Shader-Code. Die Studierenden erzeugen korrekt transformierte Clip-Raum-Geometrie.

Lektion 2 • Compute-Shader und GPGPU

Führt Compute-Shader-Dispatch, Shared Memory und Synchronisationsbarrieren ein. Befähigt die Studierenden, nicht-grafische parallele Aufgaben an die GPU auszulagern.

Lektion 3 • GPU-Architekturüberblick

Erklärt SIMD-Ausführung, Warp/Wavefront-Scheduling und Speicherhierarchie auf modernen GPUs. Bietet den Hardware-Kontext, der zum Schreiben effizienten Shader-Codes erforderlich ist.

Lektion 4 • Fragment-Shader-Programmierung

Implementiert Beleuchtungsgleichungen, Textur-Sampling und Ausgabe-Mischung in Fragment-Shadern. Verbindet Schattierungsmodelle aus Kapitel 4 mit ausführbarem GPU-Code.

Lektion 1 • Whitted Raytracing

Implementiert rekursives Raytracing mit Reflexion, Refraktion und Schattenstrahlen. Demonstriert globale Effekte, die allein mit lokalen Schattierungsmodellen nicht erreichbar sind.

Lektion 2 • Monte-Carlo-Pfadverfolgung

Stellt Monte-Carlo-Integration, Importance Sampling und die Rendering-Gleichung vor. Die Studierenden bauen einen unidirektionalen Pfadverfolger mit direkter und indirekter Beleuchtung.

Lektion 3 • Entrauschung und Hybrid-Rendering

Behandelt temporäre Akkumulation, KI-basierte Entrauschung und Hybriden aus Rasterisierung und Raytracing. Verbindet die Qualität der Offline-Pfadverfolgung mit der Echtzeit-Fähigkeit.

Lektion 4 • Grundlagen des Ray Castings

Leitet Strahl-Kugel-, Strahl-Dreieck- und Strahl-AABB-Schnittpunkttests aus ersten Prinzipien ab. Etabliert die grundlegenden primitiven Operationen, die in allen Raytracing-Algorithmen verwendet werden.

Lektion 1 • Detailstufe und Culling

Stellt LOD-Wechsel, Netzvereinfachung, Frustum-Culling und Occlusion-Culling vor. Hält die Bildrate aufrecht, indem die pro Frame verarbeitete Geometrie reduziert wird.

Lektion 2 • Bildschirmraumeffekte

Implementiert SSAO, SSR und SSGI mithilfe von Tiefen- und Normalenpuffern aus dem G-Buffer. Fügt Näherungen der globalen Beleuchtung zu geringen Rechenkosten hinzu.

Lektion 3 • Deferred Rendering-Pipeline

Konstruiert einen G-Buffer mit Positions-, Normalen-, Albedo- und Materialkanälen für die verzögerte Schattierung. Entkoppelt Geometrie- und Beleuchtungsdurchgänge, um viele dynamische Lichter zu unterstützen.

Lektion 4 • Prozedurales und Terrain-Rendering

Behandelt rauschbasierte Geländeerzeugung, Tessellations-Shader und Clipmap-LOD für große Gelände. Integriert prozedurale Techniken in die erweiterte Rendering-Pipeline.