Clipping: die Technik zur Perfektionierung von Computergrafiken

Haben Sie schon von Clipping gehört?

Clipping ist eine Technik oder vielmehr eine Reihe von Techniken, die bei der Arbeit mit Computergrafiken unerlässlich sind, egal ob Sie Grafikdesigner, Ingenieur oder Entwickler sind.

Diese Techniken helfen Ihnen, alle, wirklich alle grafischen Elemente, mit denen Sie arbeiten, zu kontrollieren, insbesondere diejenigen, die auf dem Bildschirm nicht sichtbar sind. 

Wenn Sie lernen, Clipping zu Ihrem Vorteil zu nutzen, werden Sie die Effizienz Ihrer Anwendungen und Designs sowie die Leistung Ihrer Geräte vervielfachen.  Ganz zu schweigen davon, dass Sie auch die Qualitätsstandards der von Ihnen verwalteten Benutzeroberflächen maximieren werden.

Aus diesem Grund werden wir Ihnen in diesem Artikel alle grundlegenden Konzepte erklären, die Sie benötigen, um Clipping zu verstehen und in Ihren Projekten zu implementieren. Aber zuerst…

Was ist Clipping und wofür wird es verwendet?

Clipping ist eine Technik zum Ausschneiden oder Entfernen von Teilen eines Bildes oder einer Grafik, die außerhalb einer bestimmten Region oder eines Bereichs innerhalb des Bildes liegen. 

Diese Technik ist wichtig, um die Leistung und Effizienz der grafischen Darstellung zu verbessern. Es stellt auch sicher, dass nur die relevanten Teile eines Bildes in einem bestimmten Fenster oder Bildschirm angezeigt werden.

Das Clipping ist bei der Grafikdarstellung unerlässlich, um zu verhindern, dass Objekte oder Teile von Objekten, die sich außerhalb des Sichtfelds des Betrachters befinden, auf dem Bildschirm verarbeitet oder gezeichnet werden. 

Es wird auch zum Beschneiden von Fenstern oder Ansichten in Grafikanwendungen verwendet. Mit anderen Worten, Spiele und Grafikdesign-Anwendungen, neben anderen Programmen.

Inzwischen gibt es mehrere Clipping-Algorithmen und -Techniken, wie z. B. das Linien-Clipping, das Polygon-Clipping und das Fenster-Clipping, die jeweils an unterschiedliche Situationen und Grafiktypen angepasst sind. 

Das Hauptziel des Clippings ist jedoch unabhängig von der Art des Clippings immer die Optimierung der Leistung und der visuellen Darstellung einer Grafik-Szene. Es werden also nur die relevanten Teile innerhalb des vom Benutzer sichtbaren oder abgegrenzten Bereichs dargestellt.

Arten des Clippings

Die wichtigsten Arten des Clippings sind:

• Linien Clipping: Sie wird verwendet, um Linien oder Liniensegmente zu beschneiden, die über die Grenzen des Sichtfensters hinausgehen. Zwei gängige Algorithmen für die Linienbeschneidung sind der Cohen-Sutherland-Algorithmus und der Liang-Barsky-Algorithmus.

• Polygon Clipping: zum Beschneiden von Polygonen oder anderen geometrischen Formen. Ein beliebter Algorithmus für das Polygon-Clipping ist der Sutherland-Hodgman-Algorithmus, der ein konvexes Polygon relativ zu einem konvexen Ansichtsfenster beschneidet.

• Clipping von Fenstern (Viewports): Bei dieser Technik wird ein Fenster oder ein rechteckiger Bereich innerhalb eines größeren Bildes beschnitten. In Grafikanwendungen ist dies sehr praktisch, um interessante Bereiche auf dem Bildschirm zu definieren.

• Text Clipping: Diese Technik wird verwendet, um Text zu beschneiden, der über die Grenzen eines Bereichs oder Fensters hinausgehen könnte. Dies wird in Textverarbeitungs- und Grafikdesign-Anwendungen eingesetzt.

• Bildausschnitt: Damit wird ein Bild oder Foto auf eine bestimmte Form oder einen bestimmten Bereich zugeschnitten. Dies wird z. B. bei der Erstellung von Bildern mit Schnittmasken verwendet.

• 3D-Clipping: In der 3D-Grafik wird Clipping verwendet, um Teile dreidimensionaler Objekte zu entfernen, die sich außerhalb des Sichtfelds der Kamera befinden oder durch andere Objekte in der Szene verdeckt sind. Dies ist für die effiziente und realistische Darstellung von 3D-Szenen unerlässlich.

• Pixel Clipping: Auf Pixelebene kann Clipping durchgeführt werden, um zu bestimmen, welche Pixel gefärbt und welche Pixel im Rendering-Prozess verworfen werden sollen. Auf diese Weise können Sie die Grafikleistung optimieren.

Warum ist das Clipping in der Computergrafik so notwendig?

• Leistungsoptimierung: Durch das Ausschneiden von Objekten oder Teilen von Objekten, die sich außerhalb des Sichtfelds des Betrachters befinden, reduzieren Sie die Anzahl der auszuführenden Berechnungen und grafischen Operationen. Dadurch wird die Leistung der grafischen Darstellung maximiert, was bei Echtzeitanwendungen wie Videospielen und interaktiven Simulatoren entscheidend ist.

• Ressourceneinsparungen: Das Ausschneiden von nicht sichtbaren Objekten spart enorme Mengen an Hardware- und Verarbeitungsressourcen. Diese Einsparung ist in ressourcenbeschränkten Systemen, einschließlich Mobiltelefonen und Spielkonsolen, wo CPU- und GPU-Ressourcen effizient verwaltet werden müssen, von entscheidender Bedeutung.

• Verbesserte visuelle Qualität: Durch Clipping wird sichergestellt, dass nur die relevanten Teile einer Grafikszene auf dem Bildschirm angezeigt werden. Dadurch wird vermieden, dass teilweise sichtbare oder abgeschnittene Objekte gerendert werden, was zu verwirrenden oder unästhetischen visuellen Ergebnissen führen kann.

• Benutzerinteraktion: In interaktiven Grafikanwendungen legt der Benutzer Fenster oder Bereiche von Interesse fest. Das Clipping ermöglicht es, NUR das zu zeigen, was sich innerhalb dieser Bereiche befindet, was die Interaktion und das Verständnis des Benutzers erleichtert. Mit anderen Worten: eine viel dynamischere und intuitivere Benutzererfahrung.

• Umgang mit Bildschirmgrenzen: Clipping ist wichtig, um zu verhindern, dass Objekte auf kleinen Bildschirmen über die Grenzen hinaus dargestellt werden.

Clipping-Anwendungen

• Grafik-Rendering: Beim Echtzeit-Grafik-Rendering, z. B. bei Videospielen und Simulationsanwendungen, wird Clipping verwendet, um Objekte zu entfernen, die außerhalb des Sichtfelds der Kamera oder des Sichtfensters liegen. 

• Grafikdesign und Bildbearbeitung: Grafikdesign-Anwendungen wie Adobe Photoshop verwenden Clipping, um Bilder zu beschneiden und anzupassen. Die Benutzer können bestimmte Bereiche eines Bildes auswählen, die sichtbar sein sollen, und das Ausschneiden wird verwendet, um Inhalte außerhalb dieser Bereiche auszublenden.

• Datenvisualisierung: In Anwendungen zur Datenvisualisierung, wie z. B. interaktiven Diagrammen und Karten, wird der Ausschnitt verwendet, um nur den Teil der Daten anzuzeigen, der innerhalb eines benutzerdefinierten Fensters sichtbar ist.

• Augmented Reality und Virtual Reality: In Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Umgebungen wird Clipping verwendet, um sicherzustellen, dass nur virtuelle Objekte dargestellt werden, die sich im Sichtfeld des Benutzers befinden. Dies ist wichtig für ein realistisches Erlebnis.

• CAD-Software (Computer Aided Design): In CAD-Anwendungen ist Clipping nützlich, um Teile eines 3D-Modells auszublenden, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht relevant sind. Designer können Objekte oder Abschnitte eines Entwurfs zur Überprüfung oder für Detailarbeiten ausschneiden.

• Webbrowser: Webbrowser verwenden Clipping, um nur den Inhalt einer Webseite anzuzeigen, der sich innerhalb des Browserfensters befindet. Elemente, die sich außerhalb des Sichtfelds des Benutzers befinden, werden ausgeschnitten, damit der Benutzer einen Bildlauf durchführen und den Inhalt reibungslos anzeigen kann.

• Lernvideospiele und Simulationen: In Lernanwendungen und interaktiven Simulationen wird das Clipping verwendet, um nur die relevanten Elemente innerhalb einer Szene oder Simulation anzuzeigen. Dies kann die Benutzererfahrung vereinfachen und das Verständnis verbessern.

• Geografische Informationssysteme (GIS): In GIS wird Clipping verwendet, um nur die geografischen Datenebenen anzuzeigen, die innerhalb einer bestimmten Region oder eines bestimmten Bereichs von Interesse sichtbar sind. Dies ist für die Visualisierung von Karten und geografischen Daten unerlässlich.

Vorteile des Clippings

• Leistungsoptimierung: Clipping reduziert den Rechen- und Renderingaufwand, indem Objekte oder Teile von Objekten entfernt werden, die außerhalb des Sichtfelds des Betrachters liegen. Dadurch wird die Rendering-Geschwindigkeit erhöht und Grafikanwendungen laufen reibungsloser, sogar in Echtzeit.

• Geringere Verarbeitungslast: Das Ausschneiden nicht sichtbarer Elemente spart Verarbeitungszeit und Ressourcen, was zu einer geringeren Belastung von CPU und GPU führt.

• Verbesserte visuelle Qualität: Durch diese Technik wird sichergestellt, dass nur sichtbare Elemente gerendert werden, wodurch die Anzeige von teilweise ausgeschnittenen oder außerhalb des Bildes liegenden Objekten vermieden wird. Mit anderen Worten, die Qualität der grafischen Darstellung wird verbessert.

• Einsparung von Speicherressourcen: Ausgeblendete Elemente verbrauchen ebenfalls Ressourcen und beeinträchtigen die Leistung. Mit dieser Technik werden diese Elemente jedoch aus der Gleichung herausgenommen, wodurch die Speicherbelastung auf Ihren Geräten und denen der Nutzer verringert wird.

• Geringere visuelle Artefakte: Durch das Clipping können Sie auch den Effekt des “Abschneidens” von Objekten auf dem Bildschirm minimieren. Mit anderen Worten: keine visuellen Störungen durch Objekte außerhalb des Bildschirms.

• Höhere Effizienz beim Neuzeichnen: In Anwendungen, bei denen der Bildschirm häufig neu gezeichnet werden muss, wie z. B. bei Animationen oder Echtzeitsimulationen, trägt diese Technik dazu bei, die für die Verarbeitung und Anzeige der einzelnen Bilder benötigte Zeit zu verkürzen.

Nachteile und Einschränkungen des Clippings

Wie Sie sehen werden, ist diese Technik für die Arbeit mit Computergrafiken unerlässlich und bietet eine Reihe von Vorteilen. Allerdings gibt es auch einige Einschränkungen, die Sie beachten sollten.

Dies sind die wichtigsten davon:

• Rechenaufwand: Obwohl das Ausschneiden für eine korrekte visuelle Darstellung unerlässlich ist, kann es rechenintensiv sein. Die Berechnung und Überprüfung, welche Elemente beschnitten und welche gerendert werden sollen, kann erhebliche CPU- und GPU-Ressourcen erfordern, insbesondere bei komplexen Szenen.

• Genauigkeit Probleme: In Situationen, in denen eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, wie z. B. bei wissenschaftlichen oder technischen Anwendungen, kann das Clipping aufgrund von Rundungs- und numerischen Genauigkeit Problemen eine Herausforderung darstellen, insbesondere bei der Arbeit mit Gleitkoordinaten.

• Komplexität des Algorithmus: Die Implementierung von Clipping-Algorithmen kann komplex sein, insbesondere beim Clipping dreidimensionaler Objekte in 3D. Die Wahl des richtigen Algorithmus kann von der jeweiligen Situation und den verfügbaren Ressourcen abhängen.

Grafische Techniken zur Ergänzung von Clipping

Dies sind einige der wichtigsten Techniken bei der Arbeit mit Computergrafiken, Techniken, die sich perfekt zur Ergänzung von Clipping eignen und Ihre Bilder auf die nächste Stufe heben:

• Face Culling: In 3D-Umgebungen wird Face Culling verwendet, um Gesichter von 3D-Objekten zu entfernen, die aus der Perspektive des Betrachters nicht sichtbar sind. Dies wird durch Techniken wie Back-Face Culling und Hidden-Face Culling erreicht.

• Okklusionsalgorithmen: Diese Algorithmen werden verwendet, um zu bestimmen, welche Objekte oder Teilobjekte vollständig von anderen Objekten in der Szene verdeckt werden. Dies ist für eine realistische und effiziente Darstellung von 3D-Szenen unerlässlich.

• Volumenbeschneidung: In der 3D-Grafik wird die Volumenbeschneidung verwendet, um Teile von Objekten zu entfernen, die außerhalb des von der Kamera definierten Anzeigevolumens liegen.

• Z-Buffering (Tiefenpuffer): Z-Buffering ist eine Technik zur Lösung von Sichtbarkeitsproblemen in 3D-Grafiken. Es hilft bei der Bestimmung, welche Pixel auf der Grundlage ihrer Tiefe in der Szene gerendert werden sollten.

• Pixel-Occlusion-Techniken: Diese Techniken werden verwendet, um zu bestimmen, welche Pixel gezeichnet werden sollen und welche nicht. Dadurch wird die Verschwendung von GPU-Ressourcen für nicht sichtbare Bereiche vermieden.

• Level of Detail (Detaillierungsgrad): In Anwendungen, die komplexe 3D-Objekte rendern, werden Detaillierungsgrade verwendet, um die Komplexität des Modells in Abhängigkeit von der Entfernung zur Kamera zu verändern. Das bedeutet: weniger Rendering-Aufwand bei weit entfernten Objekten.

Clipping ist nicht nur eine Reihe von Techniken zur Verbesserung Ihrer Grafiken. Wenn Sie es richtig einsetzen, wird es zu einem entscheidenden Faktor in jedem Ihrer Projekte, egal ob es sich um Anwendungen, Webseiten, Designs, Benutzeroberflächen oder interaktive Schnittstellen handelt.

Wenn Sie Ihre Fähigkeiten im Grafik-, Produkt- oder Computer Design perfektionieren wollen, wird Clipping einer Ihrer besten Verbündeten sein. Und wenn Sie es mit anderen Bearbeitungstechniken ergänzen, stehen Ihnen unendlich viele Werkzeuge zur Verfügung, um alle Arten von fortschrittlichen Designs, Grafiken und Schnittstellen zu erstellen.

Wie würden Sie diese Technik in Ihren Projekten einsetzen? Welche anderen Anwendungen würden Sie ihr geben und wie würden Sie sie ergänzen? Lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen. Und vergessen Sie nicht, dass Sie diesen Artikel auch mit Ihren Kollegen teilen können.