RenderMan (BMRT 2.6 Open Source)
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RenderMan (BMRT 2.6 Open Source)
Bauhaus Universität Weimar Fakultät Medien Lehrveranstaltung: Computergrafik und Animation Lehrende: Prof. Dr. Charles Wüthrich / Dipl. Inf. Marko Meister Author: Thomas Riedel / E-Mail: [email protected] Weimar, 10.01.2002 RenderMan (BMRT 2.6 Open Source) 1. Einleitung 2. Das Rederman – Interface 3. Die RIB – Datei - Strucktur 4. Was benötige ich? 5. Schritt für Schritt Die Grundstruktur Hinzufügen einer Geometrie Hinzufügen weiterer Geometrien Lichtquellen Oberflächeneigenschaften / Shader Farbe Einige Veränderungen der Shadereinstellungen 6. Anhang 1. Einleitung weiter / Seitenanfang Die Komplexität der Berechnung dreidimensionaler photorealistischer Darstellungen in der Computergrafik und die verschiedensten Ansätze hierzu legen die Verwendung einer einheitlichen Schnittstelle zwischen Erstellung und Berechnung dreidimensionaler Szenen nahe. Die amerikanische Computergrafik-Firma Pixar beansprucht für sich, mit ihrem Produkt RenderMan™ und dem Render - Man Interface Bytestream (RIB) Dateiformat eine solche geräte- und methodenunabhängige Schnittstellenbeschreibung gefunden zu haben. Renderer, die dieser Schnittstellenbeschreibung genügen und Modellierungswerkzeuge mit einer RIBAusgabe wurden bereits auf einer Vielzahl von Geräten implementiert. Diese kleine Anleitung soll dazu dienen, eine einfache dreidimensionale Szene zu erstellen, zu rendern und das RIB – Dateiformat zu verstehen. Da des originale RenderMan™ Produkt kostenpflichtig ist, wird hier mit dem BMRT (Blue Moon Rendering Tools) von Exluna gearbeitet. 2. Das RenderMan-Interface weiter / Seitenanfang RenderMan™ ist ein Interface zur Beschreibung von dreidimensionalen Szenen, das durch Funktionen einer Programmiersprache (Language Binding) oder durch den Befehlssatz des programmiersprachenähnlichen RenderMan Interface Byte Streams (RIB) gegeben ist. Eine RenderMan Eingabe kann aus mehreren einzelnen Szenenbeschreibungen (Frames) bestehen, die nacheinander gerendert werden. Auf diese Weise können Animationen hergestellt werden. RenderMan wird häufig mit dem für zweidimensionale Seitenbeschreibungen ausgelegten PostScript verglichen. Im Gegensatz zu PostScript bietet RIB nicht den Umfang einer ‘echten’ Programmiersprache. Es gibt je nach Implementation Unterschiede in der Realisierung des Interfaces. Da aber alle Renderer die komplette InterfaceDefinition verstehen, braucht beim Programmieren eines 3D-CAD-Programms oder der Erstellung einer 3DSzene nicht darauf eingegangen werden, welcher Renderer letztendlich verwendet werden soll. Die Qualität des Renderers wird durch die Anzahl der ausführbaren Funktionen und der Realitätsnähe des Ergebnisses bestimmt. Die Qualität ist höher, je mehr Funktionen entsprechend der Interface-Definition ausgeführt werden und je natürlicher die Resultate wirken. In diesem Tutorial arbeiten wir mit dem Blue Moon Rendering Tool, einer frei verfügbaren Implementation des kostenpflichtigen RenderMan™ von Pixar, das in seinem Funktionsumfang nicht so komplex ist. Im Weiteren wollen wir an einem konkreten Beispiel die Erstellung eines Bildes verfolgen und verstehen. 3. Was benötigen wir? weiter / Seitenanfang Um einen RenderMan Interface Byte Streams (RIB) zu erzeugen, benötigen wir einen schlichten Texteditor. Vorrausetzung ist natürlich die vorhandene Installation eines Renderes. In unserem Beispiel müssen die BMRT korrekt konfiguriert sein, um die folgenden Schritte nachvollziehen zu können. Als erstes sehen wir uns die Grundstruktur einer solchen RIB – Datei an. 4. Die RIB – Datei – Struktur weiter / Seitenanfang Ein RIB – File wird von oben bis unten der Reihenfolge nach abgearbeitet. Man könnte sich eine Art Schlauch/Pipeline vorstellen bei der am Anfang die geforderten Graphiken, Umgebungen usw. als Befehle hereingegeben und dann der Reihe nach abgearbeitet werden und am Ende als 3D Bild auf dem Bildschirm ankommen. Zum Beispiel …setze Farbe auf blau gehe nach x y z - setze Oberfläche - male Geometrie - setze andere Farbe - setze andere Oberfläche - male nächste Geometrie… Die Grundstruktur setzt sich wir folgt zusammen. Globale Optionen setzen: z.B. Bildausgabeoptionen, Kameraoptionen. BeginFrame(1) Frame - lokale Optionen und Attribute, globale Optionen dürfen überdefiniert werden. Es dürfen noch keine Objekte definiert werden. WorldBegin Falls nur ein Frame vorhanden ist, darf der Weltblock auch direkt unter dem Programmblock definiert sein. Hier werden nur noch Attribute geändert und Objekte definiert. Optionen dürfen nicht mehr verändert werden. Ab dem Weltblock dürfen Solid Blöcke definiert werden. Attribut- und Transformationsblöcke können beliebig geschachtelt werden. Beispiel einer Attributschachtelung AttributeBegin(); TransformBegin(); TransformEnd(); TransformBegin(); AttributeBegin(); AttributeEnd(); TransformEnd(); AttributeBegin(); AttributeEnd(); AttributeEnd(); TransformBegin(); TransformEnd(); WorldEnd FrameEnd Nach einem WorldEnd ist ein Einzelbild komplett und kann gerendert werden. Optionen und Attribute dürfen zwischen Weltblöcken überdefiniert werden. Weitere Welt Blöcke... Zwischen Frames dürfen Optionen und Attribute überdefiniert werden. Weitere Frame Blöcke können folgen. 5. Schritt für Schritt 5.1 Die Grundstruktur weiter / Seitenanfang Die im Folgenden benutzten Geometrien habe ich mit dem Modellierungsprogramm AYAM erstellt, welches im Internet zum freien Download zur Verfügung stellt. Man erstellt mit Ayam eine Geometrie, exportiert sie als RIB File und kann danach die Geometrien einfach aus dem File heraus kopieren und in das Beispielfile einfügen. Wir öffnen eine Datei mit einem Texteditor und geben folgendes ein: Display "unnam.tiff" "file" "rgba" und Farbprofil für unsere 3D Bild) Format 698 611 -1 Projection "perspective" "fov" [90] Kamerawinkel fest) ScreenWindow -0.520352 0.520352 -0.429447 0.429447 Scale -1 1 1 (Setzt den Bildnamen, Ausgabegerät (Setzt die Bildgröße) (legt die Projektion fest und den (Setzt die globale Größe auf 1) Rotate -24.0001 1 0 0 und die Achse 1 0 0) Rotate 135 0 1 0 und die Achse 0 1 0) (Rotiert die Kamera um den Winkel -24 Translate -13.154 -3.15232 -9.19974 (Verschiebt die Kamera um x y z) FrameBegin 0 (Frame Begin) (Rotiert die Kamera um den Winkel -24 WorldBegin WorldEnd FrameEnd (Frame Ende) Das Ergebnis nach dem Rendern ist ein noch ein schwarzen Bildschirm. 5.2. Hinzufügen einer Geometrie weiter / Seitenanfang Fügen wir nun erste Geometrieobjekte ein. Als erstes ein Glas und eine Bodenplatte. Das Fettgedruckte wird eingefügt und für Glas 1 bzw. Bodenplatte wird die unten stehende Geometrie eingefügt. Display "unnam.tiff" "file" "rgba" Projection "perspective" "fov" [90] ScreenWindow -0.520352 0.520352 -0.429447 0.429447 Scale -1 1 1 Rotate -24.0001 1 0 0 Rotate 135 0 1 0 Translate -13.154 -3.15232 -9.19974 FrameBegin 0 WorldBegin (Begin eines Attributeblockes 1) AttributeBegin TransformBegin Translate 4 -3 -5 Scale 0.5 0.5 0.5 Glas 1 TransformEnd AttributeEnd (Verschieben des Objektes) (Größe des Objektes halbieren) (hier die Geometrie einfügen) (Begin eines Attributeblockes 1) AttributeBegin TransformBegin Translate 0 -7 -4.125 Bodenplatte TransformEnd AttributeEnd (Begin eines Attributeblockes 2) (Verschieben des Objektes) (hier die Geometrie einfügen) (Begin eines Attributeblockes 2) WorldEnd FrameEnd Nach dem Rendern der RIB Datei sieht man nun erste Erfolge auf dem Bildschirm. 5.3. Hinzufügen weiterer Geometrien weiter / Seitenanfang Fügen wir nun weitere Gläser hinzu. Die Geometrien bleiben die Gleichen, nur werden sie etwas verschoben. Zusätzlich stellen wir noch eine Schale in den Vordergrund. Hierzu erweitern wir unsere RIB Datei um folgende Fettgedruckte Einträge. . . . AttributeBegin TransformBegin Translate 4 -3 -5 Scale 0.5 0.5 0.5 Glas 1 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate 0 -3 0 Scale 0.5 0.5 0.5 Glas 2 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate -2 -3 -6 Scale 0.5 0.5 0.5 Glas 3 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate 5.5 -6.8 0 Scale 0.5 0.5 0.5 Schale TransformEnd AttributeEnd (Verschieben des zweiten Glases) (Verschieben des dritten Glases) (Verschieben der Schale) (Einfügen der 3 Geometrie, der Schale) AttributeBegin TransformBegin Translate 0 -7 -4.125 Bodenplatte TransformEnd AttributeEnd . . . 5.4. Lichtquellen weiter / Seitenanfang Fügen wir unserem Bild nun einige Lichtquellen hinzu. Ich habe in dem Beispiel ein Umgebungslicht und zwei Spotlichter gesetzt. Dies geschieht mit folgenden Einträgen in unser RIB – File. Wir werden nach dem Rendern dieses Bildes keine großen Veränderungen feststellen, da wir noch keine Oberflächeneigenschaften festgelegt haben, die ja für das Lichtbild in Form von Spiegelung, Reflexion und Schatten sehr wichtig sind. . . . FrameBegin 0 WorldBegin Attribute "light" "shadows" ["on"] (Die Lichtschatten werden aktiviert) LightSource "ambientlight" 1 "intensity" [0.25] (Ein Umgebungslicht mit Intensität wird gesetzt) LightSource "spotlight" 2 "from" 0 20 -10 "to" -2 -3 -2 "intensity" 750 "coneangle" 5 (Das erste Spotlight wird gesetzt mit der Strahlungsrichtung “von” x y z “nach” x y z der Intensität und dem Öffnungswinkel der den Lichtkegel beschreibt) LightSource "spotlight" 3 "from" 0 20 10 "to" -2 -3 -2 "intensity" 1500 "coneangle" 8 (Das erste Spotlight wird gesetzt mit der Strahlungsrichtung “von” x y z “nach” x y z der Intensität und dem Öffnungswinkel der den Lichtkegel beschreibt) . . . WorldEnd FrameEnd 5.5. Oberflächeneigenschaften / Shader weiter / Seitenanfang Erweitern wir jetzt unsere Geometrien und geben Ihnen Oberflächeneigenschaften, so genannte Shader. Bei den BMRT sind es 49 verschieden Shader die uns zur Verfügung stehen. Man findet sie im Verzeichnis …\BMRT2.6\shaders\.... Ich werde den drei Gläsern und der Schale die Eigenschaften von Glas geben und der Bodenplatte die von einer Plaste. Dazu die Fettgedruckten Zeilen hinzufügen. (Hinweis Mit dem Zeichen # kann man Kommentare in das RIB File einfügen.) #Mein erstes RIB File Display "unnam5.tiff" "file" "rgba" Format 298 211 -1 Projection "perspective" "fov" [90] ScreenWindow -0.520352 0.520352 -0.429447 0.429447 Scale -1 1 1 Rotate -24.0001 1 0 0 Rotate 135 0 1 0 Translate -13.154 -3.15232 -9.19974 FrameBegin 0 WorldBegin Attribute "light" "shadows" ["on"] LightSource "ambientlight" 1 "intensity" [0.25] LightSource "spotlight" 2 "from" 0 20 -10 "to" -2 -3 -2 "intensity" 750 ”coneangle" 5 LightSource "spotlight" 3 "from" 0 20 10 "to" -2 -3 -2 "intensity" 1000 "coneangle" 8 AttributeBegin TransformBegin Translate 4 -3 -5 Scale 0.5 0.5 0.5 Surface "glass" Glas 1 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate 0 -3 0 Scale 0.5 0.5 0.5 Surface "glass" Glas2 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate -2 -3 -6 Scale 0.5 0.5 0.5 Surface "glass" Glas 3 TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate 5.5 -6.8 0 Scale 0.5 0.5 0.5 Surface "glass" Schale TransformEnd AttributeEnd AttributeBegin TransformBegin Translate 2.77556e-017 -7 -4.125 Scale 1600 0.5 1600 Surface "plastic" Bodenplatte TransformEnd AttributeEnd WorldEnd FrameEnd Die folgenden Beispiele zeigen die gerenderten Bilder. Ich habe erst jede Lichtquelle einzeln angeschaltet (einfach vor die anderen ein Kommentarzeichen einfügen und rendern) und danach alle zusammen. Es ist deutlich zu erkennen wie sich die Schatten verändern. Nur Umgebungslicht (intensity 0.25) Nur Spotlight 2 Intensity 750 Alle Lichtquellen zusammen Nur Spotlight 3 Intensity 1000 5.6. Farbe weiter / Seitenanfang Geben wir nun der Szene noch etwas Farbe. Ein Glas rot eins blau und eins grün. Die Schale lassen wir so und die Bodenplatte auch. Dazu müssen wir mit dem Befehl Color [x x x] arbeiten. In der Klammer stehen die RGB Werte, die zwischen 0 und 1 angegeben werden müssen. Beispiel Grün Color [0 1 0]. Jetzt werden die entsprechenden Einträge innerhalb der Attributblöcke vorgenommen. . . . AttributeBegin TransformBegin Translate -2 -3 -6 Color [0 1 0] hinzugefügt) Scale 0.5 0.5 0.5 Surface "glass" Glas 3 TransformEnd AttributeEnd (ebenso werden bei den anderen Geometrien die Farben . . . Das erste blau... …zweite rot… …..und das letzte grün. 5.7. Einige Veränderungen der Shadereinstellungen weiter / Seitenanfang Wir können nun an den Oberflächeneigenschaften noch ein wenig herumspielen. So könnten wir zum Beispiel den Strahlungskoeffizienten „Ks“ bei dem Shader „plastic“ ein wenig verändern. Er gibt die Strahlungsstärke des Materials an. Wir setzen diesen wahlweise auf einen Wert zwischen 0 und 1. Der erforderliche Eintrag wird direkt über der Zeile Surface "plastic" eingefügt. . . . . . Declare "Kd" "float" Surface "plastic" "Kd" [0.4] . . . . . (festlegen eines Attributes Kd, welches eine Fließkommazahl enthält) (Setzten des Kd auf 0.4) “Kd” [1] “Kd” [0.5] “Kd” [0.25] Zum Abschluss möchte ich noch ein paar Shader vorstellen die im Umfang des BMRT vorhanden sind. Ich werde die Gläser und die Schale unverändert lassen und einfach der Bodenplatte eine andere Oberflächeneigenschaft geben. Dazu muss nur in der Zeile Surface "plastic" der Shadername verändert werden. (z.B. Surface "wood2“) Der Shader “wood2” (Holz) Der Shader “veinedmarble” Und noch eine letzte Spielerei... Der Shader “gmarbtile_polis Das RIB – File zu diesem Bild… 6. Anhang Seitenanfang Download der Datei als Word Dokument ● Beleg.doc (ca. 2.5 MB) Quellen ● Pixar (Homepage des Entwicklers von RenderMan) ● RenderMan Repository (Viele Beispiele für RenderMan, sowie Tutorials und Anleitungen) ● Ayam (einfacher 3D Modellierer) ● Exluna (Blue Moon Rendering Tools) Geometrieobjekte (alle mit Ayam erstellt, als RIB exportiert und in das Beispielfile eingefügt) Glas zurück NuPatch 15 4 [0 0 0 0 0.0833333 0.166667 0.25 0.333333 0.416667 0.5 0.583333 0.666667 0.75 0.833333 0.916667 1 1 1 1] 0.000000 1.000000 9 3 [0 0 0 0.25 0.25 0.5 0.5 0.75 0.75 1 1 1] 0.000000 1.000000 "Pw" [6.93889e-017 -7.31965 0 1 4.44268 -7.57309 0 1 4.49991 -6.80493 0 1 0.756659 -6.52517 0 1 0.71033 0.71033 0 1 1.77057 2.06813 0 1 3.85241 3.10828 0 1 5.15145 6.18086 0 1 5.56879 8.4759 0 1 4.91043 7.80214 0 1 4.58514 5.6547 0 1 3.60532 4.05822 0 1 2.57607 2.91379 0 1 1.31265 2.36363 0 1 0 2.3714 0 1 4.90654e-017 -5.17577 -4.90654e-017 0.707107 3.14145 -5.35498 3.14145 0.707107 3.18192 -4.81181 3.18192 0.707107 0.535039 -4.61399 0.535039 0.707107 0.502279 0.502279 0.502279 0.707107 1.25198 1.46239 1.25198 0.707107 2.72407 2.19789 2.72407 0.707107 3.64263 4.37053 3.64263 0.707107 3.93773 5.99337 3.93773 0.707107 3.4722 5.51695 3.4722 0.707107 3.24218 3.99848 3.24218 0.707107 2.54935 2.86959 2.54935 0.707107 1.82156 2.06036 1.82156 0.707107 0.928184 1.67134 0.928184 0.707107 0 1.67683 0 0.707107 0 -7.31965 -6.93889e-017 1 0 -7.57309 4.44268 1 0 -6.80493 4.49991 1 0 -6.52517 0.756659 1 0 0.71033 0.71033 1 0 2.06813 1.77057 1 0 3.10828 3.85241 1 0 6.18086 5.15145 1 0 8.4759 5.56879 1 0 7.80214 4.91043 1 0 5.6547 4.58514 1 0 4.05822 3.60532 1 0 2.91379 2.57607 1 0 2.36363 1.31265 1 0 2.3714 0 1 4.90654e-017 -5.17577 -4.90654e-017 0.707107 -3.14145 -5.35498 3.14145 0.707107 -3.18192 -4.81181 3.18192 0.707107 -0.535039 -4.61399 0.535039 0.707107 -0.502279 0.502279 0.502279 0.707107 -1.25198 1.46239 1.25198 0.707107 -2.72407 2.19789 2.72407 0.707107 -3.64263 4.37053 3.64263 0.707107 -3.93773 5.99337 3.93773 0.707107 -3.4722 5.51695 3.4722 0.707107 -3.24218 3.99848 3.24218 0.707107 -2.54935 2.86959 2.54935 0.707107 -1.82156 2.06036 1.82156 0.707107 -0.928184 1.67134 0.928184 0.707107 0 1.67683 0 0.707107 6.93889e-017 -7.31965 0 1 -4.44268 -7.57309 0 1 -4.49991 6.80493 0 1 -0.756659 -6.52517 0 1 -0.71033 0.71033 0 1 -1.77057 2.06813 0 1 -3.85241 3.10828 0 1 5.15145 6.18086 0 1 -5.56879 8.4759 0 1 -4.91043 7.80214 0 1 -4.58514 5.6547 0 1 -3.60532 4.05822 0 1 2.57607 2.91379 0 1 -1.31265 2.36363 0 1 0 2.3714 0 1 4.90654e-017 -5.17577 4.90654e-017 0.707107 3.14145 -5.35498 -3.14145 0.707107 -3.18192 -4.81181 -3.18192 0.707107 -0.535039 -4.61399 -0.535039 0.707107 -0.502279 0.502279 -0.502279 0.707107 -1.25198 1.46239 -1.25198 0.707107 -2.72407 2.19789 2.72407 0.707107 -3.64263 4.37053 -3.64263 0.707107 -3.93773 5.99337 -3.93773 0.707107 -3.4722 5.51695 -3.4722 0.707107 -3.24218 3.99848 -3.24218 0.707107 -2.54935 2.86959 -2.54935 0.707107 -1.82156 2.06036 -1.82156 0.707107 -0.928184 1.67134 -0.928184 0.707107 0 1.67683 0 0.707107 0 -7.31965 6.93889e-017 1 0 -7.57309 -4.44268 1 0 -6.80493 -4.49991 1 0 -6.52517 -0.756659 1 0 0.71033 -0.71033 1 0 2.06813 -1.77057 1 0 3.10828 -3.85241 1 0 6.18086 -5.15145 1 0 8.4759 -5.56879 1 0 7.80214 -4.91043 1 0 5.6547 -4.58514 1 0 4.05822 -3.60532 1 0 2.91379 -2.57607 1 0 2.36363 -1.31265 1 0 2.3714 0 1 -4.90654e017 -5.17577 4.90654e-017 0.707107 3.14145 -5.35498 -3.14145 0.707107 3.18192 -4.81181 -3.18192 0.707107 0.535039 -4.61399 -0.535039 0.707107 0.502279 0.502279 -0.502279 0.707107 1.25198 1.46239 1.25198 0.707107 2.72407 2.19789 -2.72407 0.707107 3.64263 4.37053 -3.64263 0.707107 3.93773 5.99337 3.93773 0.707107 3.4722 5.51695 -3.4722 0.707107 3.24218 3.99848 -3.24218 0.707107 2.54935 2.86959 2.54935 0.707107 1.82156 2.06036 -1.82156 0.707107 0.928184 1.67134 -0.928184 0.707107 0 1.67683 0 0.707107 -6.93889e-017 -7.31965 0 1 4.44268 -7.57309 0 1 4.49991 -6.80493 0 1 0.756659 -6.52517 0 1 0.71033 0.71033 0 1 1.77057 2.06813 0 1 3.85241 3.10828 0 1 5.15145 6.18086 0 1 5.56879 8.4759 0 1 4.91043 7.80214 0 1 4.58514 5.6547 0 1 3.60532 4.05822 0 1 2.57607 2.91379 0 1 1.31265 2.36363 0 1 0 2.3714 0 1] Schale zurück NuPatch 15 4 [-0.5625 -0.5 -0.4375 -0.375 -0.3125 -0.25 -0.1875 -0.125 -0.0625 0 0.0625 0.125 0.1875 0.25 0.3125 0.375 0.4375 0.5 0.5625] -0.375000 0.375000 10 4 [0 0 0 0 0.142857 0.285714 0.428571 0.571429 0.714286 0.857143 1 1 1 1] 0.000000 1.000000 "Pw" [0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1.9094 -0.00486541 -1.10239 1 2.20478 -0.00695058 0 1 1.9094 -0.00486541 1.10239 1 1.10239 -0.00695058 1.90939 1 -1.31415e-006 -0.00486541 2.20478 1 1.10239 -0.00695058 1.90939 1 -1.9094 -0.00486541 1.10239 1 -2.20478 -0.00695058 -1.92748e-007 1 1.9094 -0.00486541 -1.10239 1 -1.10239 -0.00695058 -1.90939 1 -1.31415e-006 -0.00486541 -2.20478 1 1.10239 -0.00695058 -1.90939 1 1.9094 -0.00486541 -1.10239 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