0 Historie, Überblick, Grafik-Software. 0.1 Historie

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1 0.1 Historie 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Grundlagen-Ära der Computergrafik: - Start Anfang siebziger Jahre, bis Mitte achtziger Jahre - basierend auf technologischer Entwicklung der Rastergrafik-Hardware - erster Siegeszug der Computergrafik in der wissenschaftlichen und der high-end Anwendungsdomäne - Entwicklung von Algorithmen und Datenstrukturen für fotorealistische Bildsynthese und Modellierung von Objekten - Grundlagen heute benutzter Verfahren (z. B. Ray-Tracing) und Anwendungen (z. B. CAD-Systeme) aus dieser Zeit 0-1

2 0.1 Historie 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Grundlagen-Ära der Computergrafik: (cont.) - nach Basisfundierung ab den späten achtziger Jahren Entwicklung weiterführender Techniken und Anwendungen - Notwendigkeit der Verwendung leistungsfähiger aber sehr teuerer Grafikrechner 0-2

3 0.1 Historie 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: - Start Ende der neunziger Jahre - basierend auf technologischer (und preislicher) Entwicklung der PC-Hardware und Hochleistungs-3D-Grafikhardware - zweiter Siegeszug der Computergrafik in der Anwendungs- und Anwenderdomäne - Algorithmen und Verfahren aus der Grundlagen-Ära erfahren effiziente Hardware-Unterstützung bzw. Umsetzung - low-level Software-Zugang: moderne Software-Schichten kapseln in Form von APIs, wie z. B. OpenGL, Direct3D oder Java3D, zunehmend höhere Funktionalitäten => Zugang eines breiten Kreises von Anwendungsprogrammierern zu Computergrafikroutinen 0-3

4 0.1 Historie 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: (cont.) - high-level Software-Zugang: moderne Werkzeuge, wie z. B. 3D Studio Max oder Maya, ermöglichen den komfortablen Umgang mit Computergrafiktechniken für eine breite Anwenderschicht - im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Entwicklung stehen die Anwendungen der Computergrafiktechniken, insbesondere in speziellen Teilbereichen, wie z. B. Visualization, Scientific Visualization, Information Visualization Computer-Animation Virtual Reality, Virtual Environments, Augmented Reality, Tele-Immersion 0-4

5 0.2 Überblick 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Der aktuelle Stand: Wo wird Computergrafik-Geschichte geschrieben? Es existieren zwei (konkurrierende) weltweit führende und jährlich stattfindende Computergrafiktagungen: ACM SIGGRAPH Special Interest Group for Computer Graphics and Interactive Technologies IEEE VISUALIZATION 0-5

6 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: Was macht die Computergrafik heute eigentlich aus? Zur Zeit versucht die ACM SIGGRAPH im Taxonomy Project eine umfassende Taxonomie der Computergrafik aufzustellen. Hier der aktuelle Stand des Projektes: 1. Grundlagen und Einführung (a) Das Pipeline-Modell der Computergrafik (b) Die virtuelle Kamera, Projektionen (c) Transformationen, Koordinatensysteme und Szenengraphen (d) Framebuffer 2. Geometrisches Modellieren (a) Grafik-Primitive (Punkt, Linie, Polygonzug, Dreieck, Polygon) (b) Polyeder und Quadriken (c) Rotationskörper 0-6

7 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: (cont.) (d) Polygonale Netze, Dreiecks-Netze (Datenstrukturen und Algorithmen) (e) Freiformgeometrie (Bézier, B-Splines und NURBS-Geometrie) (f) Subdivision-Geometrie (g) Implizites Modellieren (h) Solid Modeling (CSG, Raumteilungsmethoden) (i) Prozedurales Modellieren (Fraktale, L-Systeme, Partikelmodelle) 3. Die Bildberechnung - Rendering (a) Lokale Beleuchtungsmodelle (b) Globale Beleuchtungsmodelle (c) Interpolative Schattierungsalgorithmen (d) Globale und foto-realistische Methoden: Ray-Tracing und Radiosity i. Schattenwurf, Reflektionen ii. Grundlagen des Ray-Tracings iii. Fortgeschrittene Ray-Tracing Algorithmen, Implementierung iv. Radiosity v. Radiosity-Ray-Tracing 0-7

8 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: (cont.) (e) Texturen i. Texture Mapping ii. Zwischenabbildungen iii. Anti-Aliasing und Filter iv. Bump Mapping v. Environment Mapping vi. Shadow Mapping vii. Mip-Mapping viii. 3D Texturen (f) Alternative Methoden i. Nicht-foto-realistische Darstellung ii. Volumengrafik iii. Image-Based-Rendering 4. Display-Algorithmen (a) Scanline-Algorithmus (b) Double Buffering 0-8

9 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: (cont.) (c) Sichtbarkeit i. Verdeckte Kanten und Flächen ii. Tiefenpuffer iii. Ray-Tracing (d) Clipping (e) Culling (f) A-Buffer, Stencil-Buffer & Co. 5. Grafik-Hardware (a) Eingabegeräte (Maus, Stift, 3D Scanner, haptische Eingabe) (b) Ausgabegeräte (Farbsysteme, Rasterbildschirm, LCD-Technik, Head-Mounted-Display, CNC, STL-Ausgabe) (c) Grafikkarten 6. Grafik-Software (a) Software-Architekturen (b) VRML 0-9

10 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: (cont.) (c) Quicktime VR (d) RenderMan und BMRT (e) Application Programming Interfaces i. OpenGL ii. Direct3D iii. Java3D 7. Visualisierung (a) Das Pipeline-Modell der Visualisierung (b) Grundlegende Algorithmen und Datenstrukturen der Visualisierung (c) Wissenschaftliches Visualisieren (d) Informationsvisualisierung (e) Volumenvisualisierung in der Medizin (f) Visualisierung in der Strömungsdynamik (g) Visualisierung in der Bio-Informatik 0-10

11 0.2 Überblick Der aktuelle Stand: (cont.) 8. Computer-Animation (a) Grundbegriff der Animation (b) Keyframing (c) Kinematik und Kinetik in der Computeranimation (d) Character Animation (e) Prozedurale Animation 9. Virtuelle Welten (a) Virtual Reality (Hardware, Software, Architekturen) (b) Computergames (c) Realtime-Grafik Wir geben im Folgenden einen kurzen Überblick über gängige Grafik-Software (Werkzeuge, Sprachen und Standards) und werden später exemplarisch näher auf die OpenGL-API eingehen. 0-11

12 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Softimage 3D 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Modellierung, Animation, Rendering und Produktion im professionellen Bereich, benutzt MentalRay als Ray-Tracer. Hersteller: Avid Technology Inc. Homepage: Einsatz in Filmen: The Lost World: Jurassic Park, The Matrix, Star Wars: The Phantom Menace, Godzilla, Gladiator Einsatz in Games Plattform: SGI, Windows Preis: sehr hoch 0-12

13 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge 3D Studio Max Modellierung, Animation, Rendering und Produktion im professionellen Bereich Hersteller: Autodesk ( Homepage: Einsatz in Filmen: 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Driven, Dungeons & Dragons, The Lost World: Jurassic Park Einsatz in Games: Tomb Raider 2, Myst, Age of Empires II, SimCity 3000 Plattform: Windows Preis: hoch 0-13

14 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge 3D Studio Max (cont.) 0 Historie, Überblick, Grafik-Software 0-14

15 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Maya Modellierung, Animation, Rendering und Produktion im professionellen Bereich 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Hersteller: Alias Wavefront, division of Silicon Graphics Lt. ( Homepage: Einsatz in Filmen: Lord of the Rings Trilogy, Enemy at the Gates Einsatz in Games: Gran Turismo 3, Madden NFL 2001 Plattform: Windows Preis: sehr hoch 0-15

16 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Maya (cont.) 0 Historie, Überblick, Grafik-Software 0-16

17 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Rhinoceros 3D, Rhino 0 Historie, Überblick, Grafik-Software CAD-Anwendung, Modellierung mit Freiformkurven und -flächen Hersteller: Robert McNeel & Associates ( Homepage: Einsatz bei:airbus Industries, BMW AG, Daimler Chrysler, Ford, Honda, Hyundai, LEGO, Microsoft, Miele, Nike, Nintendo, Nokia, Toyota, US Army Research, US Air Force, Walt Disney, Yamaha Plattform: Windows Preis: niedrig bis mittel 0-17

18 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Rhinoceros 3D, Rhino (cont.) 0 Historie, Überblick, Grafik-Software 0-18

19 0.3 High-level Anwender-Werkzeuge Lightscape Professioneller Radiosity-Renderer Hersteller: Autodesk Homepage: Preis: mittel bis hoch 0 Historie, Überblick, Grafik-Software 0-19

20 0.4 Low-level Anwender-Werkzeuge 0 Historie, Überblick, Grafik-Software POVRAY (Persistence of Vision Ray-Tracer) Raytracer mit Radiosity-Erweiterung Homepage: Plattform: Windows, DOS, Macintosh, Linux, SunOS Preis: freeware, source code! BMRT (Blue Moon Rendering Tools), RenderMan, Entropy Kommerziell eingesetzter Renderer Homepage: Einsatz bei: ILM, Pixar (A Bug's Life, The Cell, Hollow Man) Preis: BMRT (zero for non-profit use); aber: das war einmal 0-20

21 0.4 Low-level Anwender-Werkzeuge VTK The Visualization Toolkit 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Objektorientierte Visualisierungsbibliothek (C++ Klassen, TCL Skript-Sprache, Java bindings) mit Standard- und fortgeschrittenen Algorithmen (z. B. contouring, surface smoothing, triangulation) für alle Arten der 3D-Datenvisualisierung. Hersteller: Kitware Inc. ( Homepage: Preis: zero for non-profit use 0-21

22 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Es existieren unübersehbar viele Grafikschnittstellen (3D-APIs), -sprachen und standards auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus für viele verschiedene Einsatzgebiete. Folgende gelten als etabliert: OpenGL (basiert auf IRIS GL) Open Inventor VRML (3D-Beschreibungssprache, kein API!) Open Performer (ehemals IRIS Performer) OpenGL Optimizer OpenGL Volumizer Java3D DirectX, Direct3D 0-22

23 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Überblick: Application Java3D Java3D Volumizer Inventor Performer Optimizer Direct3D, DirectX OpenGL Operating System Quickdraw3D (Mac) 0-23

24 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Begriffe: Immediate Mode: - direkter Modus, alle Aktionen werden direkt ausgeführt - low-level, d.h. keine bis schwache Abstraktion - fast kein Raum mehr für Optimierung - Primitive: Punkte, Linien, Dreiecke,... Retained Mode: - indirekter Modus, zuerst wird ein Szenengraph konstruiert - Elemente die sich ändern werden spezifiziert - abstrakterer Level - höherwertige Primitive: Kugeln, Quader, Prismen,... Bemerkung: Vorsicht, Bezeichnungen werden unterschiedlich verwendet! 0-24

25 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer OpenGL - Open Graphics Library, entwickelt 1992, aktuelle Version Quasi-Industriestandard, gut dokumentiert, stabil, skalierbar, ständige Weiterentwicklung - prozedurales low-level API für 2D und 3D Grafik - Oberflächen- und Betriebssystemunabhängig - mehr als 150 Funktionen für Rendering, Texturen, Modellierung, Transformationen,

26 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer OpenGL (cont.) - nutzbar mit C, C++, Fortran, Ada, Java unter Windows, X-Windows und Mac-OS - Einsatzbereiche: 3D Animation, CAD, Virtuelle Welten, Simulationen,... - Referenzimplementierung von SGI unter oss.sgi.com 0-26

27 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Open Inventor - objektorientiertes Toolkit für interaktive 3D-Grafikanwendungen - entwickelt von SGI, basiert auf OpenGL - definiert Modelle mittels eines Szenengraphen mit Primitiven wie Würfel, Polygone, NURBS,... - stellt Fensterverwaltung zur Verfügung (nur X-Windows) - definiert ein Dateiformat für den Datenaustausch - event-basierte Modellierung für 3D Interaktion, Mechanismen für animierte Objekte (engines) und Picking - plattformunabhängig, Unterstützung von Crossplattformentwicklung 0-27

28 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Open Inventor (cont.) Beispiel: Szenengraph 0-28

29 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer VRML - Virtual Reality Modeling Language - Entwicklung: 1992 Inventor (Open Inventor) 1994 VRML Idee (Erweiterung von HTML) 1995 VRML 1.0 Standard (Submenge von Open Inventor) 1996 VRML 2.0 Entwurf (nicht kompatibel zu VRML 1.0) (erweiterte Objekte, neue Syntax, Prototyping) 1997 VRML97 Standard, ISO/IEC als reine Beschreibungssprache (keine API) für komplexe und interaktive 3D-Welten entwickelt 0-29

30 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer VRML (cont.) - Ziel: 3D fürs Internet - Viele Objekte, die in 3D-Applikationen verwendet werden, wurden in den Standard übernommen: - hierarchische Transformationen, - Lichtquellen, - Sichtdefinitionen, -Geometrie, - Animation, - Nebel, - Materialeigenschaften, Texturen,

31 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer VRML (cont.) - Programmierzugriff mittels JavaScript/VRMLScript oder mittels Java über das EAI (External Authoring Interface) - Es werden Autorenwerkzeuge und Viewer benötigt, damit die Welten lebendig werden. - Viewer: Blaxxun, CosmoPlayer ( - Java3D bietet Leseroutinen für VRML Nachfolger ist die Beschreibungssprache X3D, welche auf XML basiert - Der VRML-Szenengraph ist Grundlage für die Szenenbeschreibung im aktuellen MPEG-Standard. 0-31

32 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer VRML (cont.) Beispiel: Szenengraph 0-32

33 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Open Performer Motivation: Typische VR-Anwendungen verlangen die Einhaltung einer bestimmten Reaktionszeit (<1s, typ. 100ms) und einer minimalen Bildwiederholrate (typ. 15fps). Dies stellt Voraussetzungen an die Durchlaufzeiten durch die Rendering-Pipelines. Beispiele: - HMD (Head Mounted Display), Datenhelm (ein Display pro Auge), - CAVE (Computer Aided Virtual Environment) Raum, auf dessen Wände die generierten Bilder projiziert werden Oft wird eine hohe Bildrate durch die Verwendung von mehreren Rendering-Pipelines erkauft. Dann ist die Berechnung des aktuell sichtbaren Bildes aber schon einige Bilder vorher gestartet worden. 0-33

34 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Open Performer (cont.) - API, die auf OpenGL aufsetzt und weitere Funktionalitäten zur Verfügung stellt - ursprüngliches Ziel: maximale Grafik Performance für die SGI Produktlinie - optimiert für den Einsatz in Virtual Reality (VR) Umgebungen, echtzeitfähig, multithreaded, interaktiv - Einsatzbereiche: Visuelle Simulation, Virtual Reality, CAD-Systeme, Spielentwicklung - Mechanismen für transparentes Multiprozessing und effiziente Nutzung von mehreren/parallelen Prozessoren, Videokanälen und Grafikpipelines ohne Codeänderungen. 0-34

35 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Open Performer (cont.) - feste Framerate einstellbar für immersive Applikationen - eigene Datenstruktur für schnelles Laden - Behandlung von großen Texturen mit bis zu 8*10 6 x 8*10 6 Texels - Verfügbarkeit: SGI Rechner, Linux (!) 0-35

36 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer OpenGL Optimizer - Visualisierungsbibliothek für sehr große Modelle - vorwiegend für den Konstruktionsbereich gedacht (digital prototyping) - nutzt Cosmo3D Szenengraph (Szenengraph für VRML, entwickelt für CosmoPlayer) - bietet volle Kontrolle über: Topologie (z. B. boundary representation), Netzvereinfachung (mesh simplification), Tesselierung 0-36

37 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer OpenGL Optimizer (cont.) Architektur: 0-37

38 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer OpenGL Volumizer - high-level API für Volumendarstellung - Programmiersprache ist C++ - Rechnerplattformen SGI O2, Octane, Onyx2 - Darstellung und Manipulation von großen Volumendatensätzen für Medizin-, Energie- und Wissenschaftsmarkt - high- und low-level Funktionalitäten sind nutzbar - kompatibel mit Open Inventor und Open Performer: Mischen von Objekten möglich, Volumenverformung, Definition von ROI (Region Of Interest) mit Hilfe von Shapes - Datenmengen im Rahmen von mehreren 100 GB 0-38

39 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Java3D Mit Suns großem Erfolg der Java-Programmiersprache wurde nach kurzer Zeit auch der Ruf nach einer API für 3D laut. Zusammen mit Intel, SGI, Apple (damals noch ohne MS) entwickelte Sun eine Grafikbibliothek, welche die Anforderungen an eine moderne Java-3D-API erfüllen sollte. - Plattformen (heute): AIX, HP-UX, Linux, SGI (IRIX), Solaris, Windows - Anwendungsgebiete: Simulationen, Spiele, CAD, Scientific Visualization, VR Systeme 0-39

40 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Java3D (cont.) - Java3D definiert kein eigenes externes Dateiformat (es ist aber eine Serialisierung der Java-Objekte möglich) - run-time Lademechanismen - besondere Features: immediate mode, retained mode, compiled retained mode, double-buffering, z-buffer rendering model - unterstützt high-end Rendering Umgebungen (CAVE, HMD,...) - unterstützt 3D-Eingabegeräte 0-40

41 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Direct3D - 3D-API, beschränkt auf Windows-basierte Computer - Teil von DirectX, das alle Multimedia-Belange abdecken soll - Gedacht für Spiele, Multimedia-Anwendungen und interaktive 3D-Grafik - Features: umschaltbare Tiefenbuffer, Flat- und Gouraudschattierung, mehrere Lichtquellen und typen, Material- und Texturunterstützung, Transformation und Clipping, robuste Emulationstreiber überbrücken fehlende Hardwarefunktionalität 0-41

42 0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer Direct3D (cont.) Architektur: Component Hardware Emulation Layer (software drivers that act like hardware) Hardware Abstraction Layer (software drivers that communicate between SW and HW) D I R E C T 3 D Retained Mode (RM) Immediate Mode (IM) (HEL) HAL DirectX Media Layer DirectShow DirectAnimation DirectX Foundation Layer DirectDraw Direct3D Direct3DX DirectInput DirectSound DirectSound3D DirectPlay DirectMusic Graphics hardware 0-42

43 0.6 Literatur und mehr... 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Allgemeine Literatur zur Veranstaltung: [WAT00] [WAT02] [WAT92] [ANG97] [WOL00] [FOL97] Watt A.: 3D Computer Graphics, Addison-Wesley, third edition, Watt A.: 3D-Computergrafik, Addison-Wesley, Übersetzung der dritten Auflage, Watt A., Watt M.: Advanced Animation and Rendering Techniques, Addison-Wesley, Angel E.: Interactive Computer Graphics A top-down approach with OpenGL, Addison-Wesley, Wolfe R.: 3D Graphics A Visual Approach, Oxford University Press, Foley J., van Dam A., Feiner S., Hughes J.: Computer Graphics Principles and Practice, Addison-Wesley, second edition,

44 0.6 Literatur und mehr... 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Web-Ressourcen: - ACM - IEEE Technical Committee on Visualization and Graphics - EG European Association for Computer Graphics - Gesellschaft für Informatik, Fachausschuss 4.1 Graphische Datenverarbeitung

45 0.6 Literatur und mehr... 0 Historie, Überblick, Grafik-Software Lesenswert: [BLI96] Blinn J.: Jim Blinn s Corner - A trip down the graphics pipeline, Morgan Kaufmann, 1996 [DOD97] Dodsworth: Digital Illusion - Entertaining the Future with High Technology, Addison-Wesley, [TUF97] [BLI98] Tufte: Visual Explanations - Images and Quantities, Evidence and Narrative, Graphics Press, Blinn J.: Jim Blinn's Corner - Dirty Pixels, Morgan Kaufmann,

46 0.6 Literatur und mehr... Hierauf bauen große Teile der Vorlesung auf: 0 Historie, Überblick, Grafik-Software 0-46

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