Teil III. Grundlagen der Computergrafik

Transkript

1 Teil III Grundlagen der Computergrafik

2 Überblick 1 2 Geometrische Modellierung 3 Bildsynthese 4 Grafikprogrammierung Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 1

3 Begriff: Computergrafik Definition (Computergrafik) Computergrafik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Erzeugung von Bildern (oder Animationen: Folge von Bildern) aus Daten beschäftigt. Zwei wesentliche Teilbereiche: Geometrische Modellierung: interaktiv nutzbare Methoden und Strukturen zur Abbildung von Daten zu 2- oder mehrdimensionale Sachverhalten, welche geeignet sind um eine bildhafte Darstellung ableiten zu können Bildsynthese (engl. Rendering): automatische Projektion der geometrischen Modelle auf ein Ausgabemedium, in der Regel auf Raster-basierte (2-dimensionale Mengen von Bildpunkten/Pixeln) Monitore oder Grafikdateiformate Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 2

4 Abgrenzung zu anderer grafischer Datenverarbeitung Computergrafik: Daten Computergrafik Bilder Andere Bereiche der grafischen Datenverarbeitung: Eingabe: Bild Ausgabe: Bild Bildbearbeitung Eingabe: Bild Ausgabe: Daten Bildanalyse Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 3

5 Anwendungen der Computergrafik I Mensch-Computer-Interaktion, z.b. Umsetzung grafischer Benutzerschnittelen (GUI) Visualisierung Virtuelle und erweiterte Realität... Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 4

6 Anwendungen der Computergrafik II Bearbeitung geometrischer Realweltdaten, z.b. Computer Aided Design Geoinformationssysteme Simulation... Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 5

7 Anwendungen der Computergrafik III Unterhaltungs- und Informationsmedien, z.b. Computerspiele Spezialeffekte oder komplett computeranimierte Filme World Wide Web (WWW) Digitale Kunst... Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 6

8 Warum... Computergrafik für Ingenieure? Ingenieure benötigen als Anwender von Grafischer Anwendungssoftware sowie für die Entwicklung gegenständlicher Produkte ein grundlegendes Verständnis von (Computer-)Grafik 1 Ingenieure arbeiten heutzutage intensiv mit Grafischer Anwendungssoftware im Rahmen der Produktentwicklung, Simulation, etc. Hierfür ist ein Grundverständnis von Grafikbibliotheken und der Bildsynthese notwendig. 2 Verschieden Grundprinzipien der Geometrischen Modellierung finden auch bei der Entwicklung gegenständlicher Produkte, maßgeblich unter Verwendung von Computer Aided Design (CAD), Anwendung. Das entwickelte geometrische Modell eines gegenständlichen Produktes stellt hat zentrale BEdeutung für die Festlegung weiterer Produkteigenschaften sowie weitere im Produktlebenszyklus relevante Daten, welche in ihrer Gesamtheit als Produktmodell bezeichnet werden.

9 Vom Geometriemodell zum Produktmodell Marktanalyse, Kundenanforderungen, Funktionen Konzept, Konstruktion, Simulation, Prototypen Fertigungsplanung und -steuerung, Prüfung Vertrieb, Nutzung, Wartung, Recycling Planung Entwicklung Herstellung Einsatz Geometrisches Modell Weitere Eigenschaften: Material Gewicht Volumen Belastbarkeit Formbarkeit... } Produktmodell Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 8

10 Grafik-Hardware I Entwicklung von Grafikanwendungen und Grafik-Hardware treiben sich gegenseitig voran Monitore für Grafikausgabe Heute generell Rasterbildschirme (wie Fernsehbildschirme basierend auf Bildpunkten erzeugt aus zeilen- und spaltenweisen Durchlaufen des Abbildungsbereiches durch den Kathodenstrahl) eingesetzt, im Gegensatz zu Vektorbildschirmen mit frei steuerbarem Kathodenstrahl (z.t. bis in die 1980er) Besonders hochauflösende Rasterbildschirme zum Beispiel für CAD verwendet Aktuelle Entwicklungen: 3D-Monitore, Head Mounted Displays und Cave Automatic Virtual Environments (CAVE) als Projektionslösungen für virtuelle Realität Head Mounted Display Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/09 3 9

11 Grafik-Hardware II Hardware zur Grafikausgabe auf andere Medien Druckern basieren ebenfalls auf Rasterprinzip: Auflösung in dpi=dots per inch=punkte pro Zoll Im Ingenieurbereich Verwendung von Plottern für hochauflösendere Vektorgrafikausgabe Insbesondere für Ingenieuanwendung: Stereolithografie als 3-dimensionales Drucken zur Ausgabe von 3D-Prototypen (Rapid Prototyping) bzw. Endprodukten (Rapid Manufacturing) zum Beispiel aus CAD-Daten Stereolithografie Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

12 Grafik-Hardware III Grafikprozessoren (GPU) Aktuelle Grafikkarten mit Prozessoren für Hardware-Beschleunigung spezieller Grafikfunktionen (Rendering) 2D-Rendering: Rechtecke, Linien etc. 3D-Rendering: Dreiecksnetze, Texturen, etc. Physikmodellierung: Bewegung, Kollisionen, etc. Einzelne Prozessoren sind auf diese Funktionen spezialisiert und können diese deshalb schneller Berechnen als CPU Außerdem können derartige Berechnungen leicht parallelisiert werden oft viele (mehrere hundert) kleine Prozessoren auf einer Karte SIMD (Single Instruction, Multiple Data) Vektorprozessoren Datenstromverarbeitung: Rendern einer Grafik durch Weiterreichen von Bildteilen verschiedener Granularität (Geometrie Pixel) über verschiedene Shader (spezialisierte Prozessoren) Deshalb: Grafikkarten heute oft wesentlich leistungsfähiger als CPU, zum Teil Ausnutzung für nicht-grafik-berechnung durch Abbildung auf Grafik-Probleme Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

13 Grafik-Hardware IV Grafikprozessoren (GPU) Aktuelle Grafikprozessoren unterstützten Grafikbibliotheken wie OpenGL und DirectX Aktuelle Grafikkarte Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

14 Grafik-Software Grafikanwendungs-Software: Anwenderprogramme, welche auf die Erzeugung von Grafiken ausgerichtet sind oder computer-erzeugte Grafiken nutzen Im engeren Sinn: CAD, Desktop Publishing (DTP), Präsentationssoftware, Computerspiele, etc. Im weiteren Sinn: zum Beispiel alle Programme, welche GUI benutzen Grafikbibliotheken: stellen Programmierschnittstellen für Grafikfunktionen bereit Methoden zur geometrischen Modellierung und Festlegungen für die Bildsynthese (Rendering) Setzt intern Rendering und Abbildung auf (ggf. über spezialisierte Treiber) Grafik-Hardware um Unterscheidung nach Plattform-, Hardware- und Programmiersprachenunabhängigkeit Grafikbibliotheken wie OpenGL (komplett unabhängig) und DirectX (Plattform MS Windows), aber auch zahlreiche spezifische Bibliotheken von Programmiersprachen (z.b. Java 2D, Java 3D, etc.) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

15 Zusammenspiel Grafik-Software und Hardware Grafik- Software { Grafikanwendungs-Software Grafikbibliothek Treiber Hardware CPU GPU Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

16 Grundlagen: Rastergrafik Bild fester Größe (Höhe und Breite) zusammengesetzt aus in Zeilen/Spalten organisierten Pixeln Pixel (Picture Element) tragen Farbinformation für Bildpunkt Farbtiefe bestimmt Wertebereich für Farben und damit Kodierungsaufwand für einzelenes Pixel in Bit (gängig: 24 Bit = True Color) In der Computergrafik Ergebnis der Bildsynthese aus Geometriedaten Nachteil: Nicht beliebig skalierbar durch Rasterung Detailverlust bei Vergrößerung ( Treppeneffekt ) Verbreite Formate: JPG, GIF, TIFF, PNG für Bilder Anwendungen: Gerenderte Grafiken für Bildschirmausgabe, Digitale Fotografie und Video, Grafik-Design für WWW etc. Vergrößerung bei Rastergrafik Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

17 Grundlagen: Vektorgrafik Allgemeiner Begriff für Speicherung der modellierten Geometriedaten Nachteil: Müssen für die Darstellung immer neu gerendert werden (Bildsynthese) Bilddaten bestehen aus zusammengesetzten Primitiven (Linien, Flächen, Körper) und deren Eigenschaften (Position, Farben, Texturen, etc.) Begriff Vektorgrafikformat vor allem für 2D-Grafiken gebräuchlich 3D-Grafiken eher als Szenen- oder Geometrieformate bezeichnet Vorteil: Vektorgrafiken können beliebig skaliert werden! Zahlreiche Anwendungen: Desktop Publishing, CAD, True Type Fonts, Geoinformationssysteme, etc. Zahlreiche spezialisierte Dateiformate (Primitive, Eigenschaften) für diverse Anwendungen Vergrößerung bei Vektorgrafik Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

18 Grundlagen: Interaktivität und Animation Interaktive Computergrafik erlaubt Nutzer durch Eingabegeräte (Tastatur, Maus, Grafiktabletts, etc.) Veränderung der Parameter der Bildsynthese (zum Beispiel Position des Betrachters Bewegung in Computerspielen) Veränderung des geometrischen Modells selbst (Einfügen, Entfernen, Modifikation von Objekten) Geometrische Modelle und Parameter der Bildsynthese können sich auch ohne Interaktion durch eine zeitgesteuerte Programmlogik verändern Animationen durch Rendering (in Echtzeit oder vorberechnet) der Einzelszenen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/

19 Zusammenfassung: Computergrafik Computergrafik beschäftigt sich mit der Erzeugung von Bildern aus Daten Hauptaufgaben: geometrische Modellierung (geeignete Strukturierung der Daten) und Bildsynthese (Verfahren/Algorithmen zur Ableitung der Darstellung auf einem Ausgabemedium) Grafikanwendungs-Software ein Hauptarbeitsmittel von Ingenieuren Produktentwicklung: Geometrisches Modell als wichtiger Teil des Produktmodells Im Folgenden: Grundprinzipien der geometrischen Modellierung Verfahren zur Bildsynthese Grafikprogrammierung am Beispiel von OpenGL unter C++ Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure Wintersemester 08/