Ein System zum visuell hochwertigen Echtzeitrendering für Virtuelle Umgebungen

Digitale Prototypen bilden in vielen Anwendungsbereichen heute die Grundlage für den Produktentstehungsprozeß. Systeme und Verfahren der Virtuellen Realität (VR) ermöglichen es durch ihre räumliche Visualisierung und Interaktion, digitale Prototypen in einer Art und Weise darzustellen und erlebbar zu machen, daß ein physisches Modell oft entbehrlich wird. Neben dem klassischen Anwendungsbereich CAD werden digitale Prototypen zunehmend auch im Bereich der Visualisierung von Produktgestaltungs- und Architekturentwürfen eingesetzt, was in der Visualisierung eine wesentlich höhere Qualität als bei CAD-Anwendungen erfordert. Der VR-Einsatz führt zudem immer zur Anforderung der Echtzeitfähigkeit. Vor allem für den Anwendungsbereich der Computerspiele sind zahlreiche echtzeitfähige visuelle Verfahren und Effekte entwickelt worden, die sich teilweise auch unter den besonderen Randbedingungen der VR-Visualisierung einsetzen lassen. Die im Stand der Technik im VR-Bereich eingesetzten Echtzeitrendering-Systeme unterstützen jedoch diese Verfahren nur unzureichend und machen sie zudem den End\-anwendern nicht zugänglich. Daraus resultiert ein hoher Aufwand für die Aufbereitung visuell hochwertiger VR-Modelle. Deshalb wird VR im Anwendungsbereich der hochwertigen Visualisierung nur selten eingesetzt, oder die visuelle Qualität der Darstellung liegt unter den Anforderungen der Gestalter als der eigentlichen Anwender. In der vorliegenden Arbeit wird ein zweistufiger Lösungsansatz für diese Problematik entwickelt. Dieser addressiert zunächst den funktionalen Aspekt der Bildsynthese. Mit dem System ARS wird ein paralleles, hybrides Echtzeitrenderingsystem konzipiert und prototypisch realisiert, das den flexiblen Einsatz unterschiedlicher Visualisierungsverfahren in einem VR-System ermöglicht. Die von ARS unterstützte Parallelisierung der Bildsynthese auf Cluster aus mehreren Einzelrechnern ermöglicht den Einsatz auch solcher Renderingverfahren, die auf einem einzelnen Rechner bei der Darstellung anwendungsrelevanter Szenenkomplexitäten noch nicht echtzeitfähig sind. Die Untersuchung paralleler Renderingansätze in einer Clusterumgebung zeigt auch die Grenzen dieser Verfahren auf; diese werden vor allem durch die netzwerkbasierte Bilddatenverteilung gesetzt. Mit dem Entwurf eines kaskadierbaren, kostengünstigen Hardwaresystems zum Zusammensetzen des Endbildes auf der Basis digitaler Videosignale wird ein Weg aufgezeigt, diese Beschränkung zu überwinden. Das System ARS bildet damit eine technische Grundlage für eine hochwertige, effizient nutzbare VR-Visualisierung. Das hybride, parallele Konzept des Systems ARS ist zudem offen gegenüber neuen Renderingverfahren wie Raytracing und damit zukunftssicher. Der zweite Aspekt des entwickelten Lösungsansatzes ist die Integration der hochwertigen VR-Visualisierung in den digitalen Produktentstehungsprozeß, der eine wesentliche Voraussetzung für den ökonomischen Einsatz des Systems ist. Hierzu wird die im Stand der Technik übliche Vorgehensweise analysiert und daraus resultierend ein optimierter Prozeß konzipiert. Zur Implementierung dieses Prozesses wird das Softwarewerkzeug VRfx entwickelt, das es Endanwendern erstmals ermöglicht, den Prozeß der hochwertigen VR-Visualisierung vollständig zu beherrschen, ohne daß VR-Spezialisten involviert werden müssen. Zur einfachen Erweiterung der Visualisierung um räumliche Benutzungsschnittstellen wird eine Bibliothek aus wiederverwendbaren Schnittstellenelementen (Widgets) entwickelt.