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Echtzeitfähige Schatten in Mixed Reality-Umgebungen

  • Schatten erhöhen sichtbar den Realitätsgrad von gerenderten Bildern. Außerdem unterstützen sie den Benutzer in der Augmented Reality beim Greifen und Manipulieren von virtuellen Objekten, da sie das Einschätzen von Position und Größe dieser Objekte leichter machen. 1978 veröffentlichte Lance Williams den Shadow Mapping-Algorithmus, der einen Schatten in virtuellen Umgebungen erstellt. Diese Diplomarbeit stellt einen Modifikation des Standard Shadow Mapping-Algorithmus vor, der zusätzlich in Augmented/Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann. Der Ansatz erweitert den Standard Algorithmus zunächst um einem PCF-Filter. Dieser Filter behandelt das Aliasing-Problem und erstellt außerdem weiche Schattenkanten. Damit der Schattenalgorithmus aber einen Schatten in einer Mixed Reality-Umgebung erstellen kann, werden Phantomobjekte benötigt. Diese liefern dem Algorithmus die Position und die Geometrie der realen Objekte. Zur Erstellung der Schatten geht der Ansatz folgendermaßen vor: Zuerst zeichnet der Algorithmus das Kamerabild. Danach wird eine Shadow Map mit allen virtuellen Objekten erstellt. Beim Rendern der virtuellen Objekte wird mit dem Shadow Mapping ein Schatten von allen virtuellen Objekten auf sich selbst und auf allen anderen virtuellen Objekten erzeugt. Danach werden alle Phantomobjekte gerendert. Der Fragmentshader führt wieder den Tiefentest durch. Liegt ein Fragment im Schatten, so bekommt es die Farbe des Schattens, ansonsten wird die Transparenz auf eins gesetzt. Damit werden alle Schatten von den virtuellen auf den realen Objekten erzeugt. Die Ergebnisse des Ansatzes zeigen, dass dieser in Echtzeit in Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann. Außerdem zeigt ein Vergleich mit einem modifizierten Shadow Volume-Algorithmus, der ebenfalls für Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann, dass der eigene Ansatz einen realistischer wirkenden Schatten in kürzerer Zeit erzeugt. Somit erhöht der Ansatz den Realitätsgrad in Augmented Reality-Anwendungen und hilft dem Benutzer bei der besseren Einschätzung von Distanzen und Größen der virtuellen Objekte.
  • Shadows add a level of realism to a rendered image. Furthermore, they support the user of an augmented reality application through the interactions of virtual objects. The reason for this is that shadows make it easier to judge the position and the size of a virtual object. In 1978, Lance Williams published the shadow mapping algorithm with the aim to render a shadow of objects in a virtual scene. This master thesis presents a modified shadow mapping approach that can additionally be used in Augmented/Mixed Reality applications. First of all the standard algorithm ist extended by a PCF-filter. This filter is used to handle the aliasing-problem on the edges of the shadow and also to soften the shadow. Phantom objects are necessary to be able to operate this approach in a Mixed Reality application. These objects simulate the position and the geometry of the real objects for the algorithm. The approach consists of three steps: First the camera image is drawn into the framebuffer. After that a shadow map, of the virtual objects only, is created. When rendering these objects shadow mapping creates the shadows of virtual objects onto other virtual objects and on themselves. Afterwards the phantom objects are rendered. The depth test is performed on the fragment shader. If a fragment lies in a shadowed region it will get the color of the shadow. However, if it is beeing lit its transpareny value will be set to 1 so that it will not be seen. By applying this procedure all shadows from the virtual objects onto the real objects will be drawn. The results show that the approach can be used in real time in Mixed Reality environments. Additionally a comparison with a modified version of a shadow volume algorithm that can also be used for Mixed Reality applications shows that the approach of this master thesis casts a more realistic shadow in a shorter period of time. All in all this approach increases the level of realism in augmented reality applications and it helps the user measure distances and sizes of the virtual objects more easily.

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Metadaten
Author:Jens Freiling
URN:urn:nbn:de:kola-547
Referee:Stefan Müller, Wolfgang Broll
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Date of completion:2006/11/30
Date of publication:2006/11/30
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2006/11/30
Tag:Augmented Reality; Computergrafik; Echtzeitfähigkeit; Schatten
Number of pages:xii, 68
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG