Grafik-Praktikum Game Programming - Cheatsheet

Grundlagen der Geometrie und Transformationen

Definition:

Grundlegende Prinzipien der Geometrie und deren Anwendung auf Transformationen in der Grafikprogrammierung.

Details:

• Kartesisches Koordinatensystem: 2D (\textit{x, y}), 3D (\textit{x, y, z})
• Vektoren: Addition, Subtraktion, Skalarmultiplikation
• Punkte: Position im Raum
• Matrizen: 2x2, 3x3, 4x4 für 2D und 3D Transformationen
• Transformationen: Translation (\textit{Verschiebung}), Rotation, Skalierung
• Homogene Koordinaten: Verwendung von 4x4 Matrizen in 3D
• Affine Transformationen: Kombination von Translation, Rotation und Skalierung
• Projektive Transformationen: Perspektivische Verzerrung
• Matrizenmultiplikation: Sequenz von Transformationen
• Eigenwerte und Eigenvektoren: Wichtige Eigenschaften von Transformationen

Rasterung und Rendering-Techniken

Definition:

Umwandlung von Vektorgrafik in Rastergrafik (Bildpunkte). Rendering erstellt das finale Bild basierend auf Szene und Beleuchtung.

Details:

• Rasterung: Diskretisierung geometrischer Daten zu Bildpunkten.
• Rendering: Erzeugt Bilder aus Szenenbeschreibungen.
• Wichtige Techniken: Raytracing, Rasterization, Radiosity.
• Raytracing: Verfolgt Lichtstrahlen, um realistische Bilder zu erzeugen.
• Rasterization: Wandelt Dreiecke in Pixel um.
• Shader: Programme, die Beleuchtung und Farbgebung bestimmen.
• Pipeline: Vertex- und Fragment-Shader-Stufen.

Shader-Sprachen: GLSL und HLSL

Definition:

Shader-Sprachen werden verwendet, um Grafikprozessoren (GPUs) anzusteuern, um spezialisierte Grafik- und Bildverarbeitungsaufgaben zu erfüllen.

Details:

• GLSL (OpenGL Shading Language): Hauptsächlich in OpenGL verwendet. Basiert auf der C-Programmiersprache. Dateiendungen: .vert (Vertex-Shader), .frag (Fragment-Shader).
• HLSL (High-Level Shading Language): Hauptsächlich in DirectX verwendet. Basiert auf der C-Programmiersprache. Dateiendungen: .hlsl oder .fx.
• GLSL wird in einem Quelltext direkt an die GPU gesendet, um kompiliert zu werden.
• HLSL wird vorab kompiliert und die Binärdateien werden an die GPU gesendet.
• Beide Sprachen bieten Ähnlichkeiten bei der Syntax und Funktionalität, unterscheiden sich jedoch in API-Spezifika.
• Shader-Typen in beiden Sprachen: Vertex-Shader, Fragment/Pixel-Shader, Geometry-Shader, Tessellation-Shader, Compute-Shader.

Licht- und Schattenberechnung

Definition:

Berechnung von Beleuchtung und Schatten in der Computergrafik.

Details:

• Beleuchtungsmodelle: Phong, Blinn-Phong
• Lichtquellen: Punktlichter, gerichtete Lichter, Umgebungslichter
• Shading-Techniken: Flat Shading, Gouraud Shading, Phong Shading
• Schattenberechnung: Shadow Mapping, Shadow Volumes
• Formeln: Diffuse Komponente: \(I_d = k_d (L \bullet N)\), Spekular Komponente: \(I_s = k_s (R \bullet V)^n\)
• Umgang mit Self-Shadowing und Schatten-Aktionen
• Performance-Optimierung durch Precomputing und Level-of-Detail

Kollisionserkennungstechniken wie AABB und OBB

Definition:

Kollisionserkennungstechniken verwenden, um festzustellen, ob und wann Objekte in einer Spielszene kollidieren.

Details:

• AABB (Axis-Aligned Bounding Box): Einfache Kollisionserkennung, Boxen sind an den Achsen ausgerichtet. Effizient, aber nicht immer präzise.
• OBB (Oriented Bounding Box): Kollisionserkennung mit gedrehten Boxen. Präziser als AABB, aber aufwendiger zu berechnen.
• AABB-Kollisionstest: Überprüfen, ob sich die Projektionen der Boxen auf jeder Achse überlappen
• OBB-Kollisionstest: Trennen der Achs-Theorem (Separating Axis Theorem, SAT) verwenden, um zu überprüfen, ob es eine trennende Achse gibt.

Integration von Grafik- und Physik-Engines

Definition:

Integration von Grafik- und Physik-Engines in der Spieleentwicklung zur Erzeugung realistischer Szenarien

Details:

• Synchronisation von Grafik und Physik notwendig für realistische Bewegung und Kollision
• Simulation der Physik-Engine mit festen Zeitintervallen (\textit{fixed timestep}), z.B. \texttt{dt = 0.02s}
• Interpolation zwischen den Render-Frames für flüssige Animation (\texttt{Alpha} Interpolation)
• Mathematische Modellierung von Kräften und Bewegung: Newtons Gesetze
• Collision Detection und Collision Response: Berechnung von Kontaktpunkten und Reaktionen
• Datenstrukturen: Spatial Partitioning, Bounding Volume Hierarchies (BVH)

Szenenmanagement und Entity-Component-Systeme

Definition:

Verwaltung von Szenen und Entitäten in Spielen. Beide Systeme helfen bei der Strukturierung und Verwaltung von Spiellogik und -ressourcen.

Details:

• Szenenmanagement: Szenen repräsentieren verschiedene Zustände oder Levels im Spiel (z.B. Menü, Spielwelt).
• Szenenwechsel wird durch das Aufrufen von Methoden oder Ereignissen behandelt.
• Organisiert Ressourcen, Logik und Rendering von Spielobjekten innerhalb einer Szene.
• Entity-Component-System (ECS): Entitäten sind eindeutige Identifikatoren für Objekte im Spiel.
• Komponenten enthalten Daten und keine Logik, die von Entitäten genutzt werden.
• Systeme enthalten die Logik und operieren auf Entitäten, die bestimmte Komponenten besitzen.
• Fördert Wiederverwendbarkeit und modulare Struktur.

Multiplattformentwicklung und Performance-Optimierung

Definition:

Entwicklung von Software, die auf mehreren Plattformen läuft und deren Leistung optimiert wird.

Details:

• Plattformen: PC, Konsole, Mobile
• Frameworks/Tools: Unity, Unreal Engine
• Plattformabhängige API-Anpassungen
• Optimierungstechniken: Profiling, Caching, Parallelisierung
• Verwendung von plattformunabhängigen Bibliotheken
• Speicher- und Laufzeitoptimierungen
• Beachten von Besonderheiten und Einschränkungen der Zielplattformen