Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung WS 2005 / 2006 Hochschule Niederrhein

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1 Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung WS 2005 / 2006 Hochschule Niederrhein Regina Pohle Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 1 Organisatorisches Dozent: Regina Pohle Büro: H321 Telefon: regina.pohle@hsnr.de Sprechstunde: nach der Vorlesung Homepage der Vorlesung: Basisvorlesung für Studienfach Technische Informatik Termine der Vorlesung: Donnerstag, Uhr und Freitag, Uhr Prüfung: schriftliche Prüfung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 2

2 Übung und Praktikum Termine: Übung: Freitag, Uhr bzw Uhr in H315 Praktikum: Dienstag und Donnerstag, Uhr in H315 Inhalt: Übung: Bearbeitung von Aufgaben zur Festigung des Vorlesungsstoffs und zur Vorbereitung der Praktika Praktikum: praktische Vertiefung des Vorlesungsstoffes, jeweils drei Aufgaben zur Bildverarbeitung und zur Computergraphik Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 3 Zusammenhang zwischen den Gebieten Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 4

3 Inhalte der Vorlesung I Einführung in das Gebiet mathematische Grundlagen Grundlegende Eigenschaften digitaler Bilder Hardware für Graphik und Bildverarbeitung Graphische Grundalgorithmen - Zeichnen graphischer Primitive - Methoden für Antialaising - Füllalgorithmen Bildaufnahme: - Koordinatensysteme, Transformation, Projektion, homogene Koordinaten - Einflüsse bei der Bildaufnahme mit der realen Kamera Fourier Transformation Bildrestauration Bildverbesserung - Grauwertmodifikation - Filterverfahren Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 5 Inhalte der Vorlesung II Segmentierung Morphologische Operationen Merkmalsermittlung und Klassifikation Beispiele aus der betrieblichen Praxis Erzeugung von Bildern in der Computergraphik Geometrierepräsentationen Clipping in 2D und 3D Hidden Surface Removal Beleuchtungsberechnung Shading Schattenberechnung Volumenrendering als Beispiel für die Nutzung beider Gebiete Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 6

4 Was sollten Sie mitbringen? Neugier - wie Bilder funktionieren. - wie man das algorithmisch beschreiben kann Kreativität und einen disziplinierbaren Basteltrieb Sinn für Ästhetik Räumliches Vorstellungsvermögen Keine (allzu große) Angst vor der Mathematik Programmierkenntnisse Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 7 Ziele der Vorlesung Die Studenten sollen die Basiskonzepte und Grundalgorithmen aus beiden Gebieten verstehen wissen, wie man vorgeht, um Informationen aus Bilddaten zu gewinnen die notwendigen Schritte zur Generierung von Bildern mit dem Computer beispielhaft kennen gelernt haben Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 8

5 Literatur J. D. Foley, A. van Dam, St. K. Feiner, J. F. Hughes: Computer Graphics, Principles and Practice, Addison Wesley A. Watt: 3D-Computergraphik, Pearson Studium A. Nischwitz, P. Haberäcker: Masterkurs Computergraphik und Bildverarbeitung, Vieweg K. D. Tönnies: Grundlagen der Bildverarbeitung, Pearson Studium R. C. Gonzales, R. E. Woods: Digital Image Processing, Prentice Hall M. Sonka, V. Hlavac, R. Boyle: Image Processing, Analysis and Machine Vision, PWS Publisher Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung Begriffserklärung 2D-Computergrafik: Darstellung von Grafiken in der Ebene Zentrale Gebiete sind das Zeichnen von mathematisch definierten Objekten auf Raster, das Zurechtschneiden von Figuren an gegebenen Grenzen (Clipping) und die so genannten Halbtonverfahren 3D-Computergrafik: Darstellung räumlicher Daten zwei große Bereiche: Modellierung (Erstellung räumlicher Daten) und das Rendern von räumlichen Daten (weitgehend automatische Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes oder Filmes) Bildbearbeitung: nachträgliche Veränderung, Verbesserung, und Verfremdung von bereits vorhandenen Bildern, Fotografien oder Grafiken. Bildverarbeitung: Aufbereitung und Speicherung von visuellen Informationen, dient als eine Zwischenstufe zu einer weitergehenden maschinellen Bearbeitung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 10

6 1.2 Verwandte Disziplinen Visualisierung: Nutzung von Methoden der Computergraphik, Ziel: wahrnehmungs- und aufgabenorientierte Visualisierungen von abstrakten, gemessenen oder simulierten Daten Mensch-Computer-Interaktion: Aufgaben- und benutzerorientierte Software, einfache Interaktionskonzepte werden auch in der Computergraphik und Bildverarbeitung benötigt Computer Vision: Extraktion von Informationen (häufig 3D) aus einem oder mehreren Bildern oder aus einer Videosequenz Mustererkennung: maschinelle Erkennung und Auswertung von Mustern in Signalen, Verfahren der künstlichen Intelligenz zur Nachbildung der Fähigkeiten der menschlichen Wahrnehmung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung Geschichte der Computergraphik ca. 1950: Erste Nadeldrucker und Kathodenstrahlröhren-Bildschirme Erste Animation eines springenden Balls auf einem Oszilloskopen von Jay W. Forrester am MIT. 1961: Sketchpad - erstes interaktives Graphiksystem zum Erstellen von Grafiken mit Lichtgriffel und Tastatur, entstanden im Rahmen der Dissertation von Ivan Sutherland am MIT 1965: Erstes kommerzielles Vektor-Display von IBM (Preis ca US$) 1967: Erster Bildspeicher-Display von Tektronix (bietet einem breiten Interessentenkreis Zugang zur Computergraphik, Preis ca USD) Ab 1970: Erste kommerzielle CAD/CAM-Systeme kommen auf den Markt Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 12

7 1971: Schattierte Darstellung (Gouraud) 1972: Erster Flugsimulator (General Electronics) Erster Heimcomputer als Bausatz unter dem Namen Altair 8800 auf dem Markt 2 MHz Intel bytes standard RAM user interface: Schalter und LEDs an Vorderseite Preis: $395 (Bausatz), $495 (montiert) 1973: Erste Konferenz der SIGGRAPH (Special Interest Group on Computer Graphics) der ACM (Association of Computing Machinery), die sich ausschließlich mit Computer Graphik beschäftigt (ca Teilnehmer) 1974: Texturierung (Catmull) 1975: Beleuchtungsverfahren von Phong, Phong-Shading Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung : Im Film Futureworld wird zum ersten Mal eine Computergrafik verwendet: Das animierte Drahtgittermodell einer Hand. 1977: Algorithmen zum Schattenwurf (Crow) 1979: Erstmalige Darstellung von spiegelnder Reflexion und Transparenz mit Hilfe des Raytracing 1980: Erste IBM und Apple Rechner mit grafischer Oberfläche. 1980: Vorführung des Films Vol Libre (von L. Carpenter, Boeing) auf der SIGGRAPH 80 (in dem Film wird der Flug durch eine fraktale Landschaft gezeigt) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 14

8 1981: IBM führt den CGA-Standard ein. Damit lassen 320x200 Pixel bei 4 Farben darstellen. 1982: Der Film Tron kommt in die amerikanischen Kinos, der erste Film, in dem reine Computeranimationen verwendet werden (ca. 30 min) Gründung der Firma Silicon Graphics 1981: Beginn der Entwicklung des Volume-Rendering 1982: Erste Filmsequenz, in der sich eine Frau in einen Luchs verwandelt (T. Brigham, SIGGRAPH 82); Diese Technik wird später Morphing genannt 1983: J. Lanier (Atari Research Center) entwickelt Datenhandschuh Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung : Entwickelung des Radiosity-Verfahrens (Goral) 1986: Die Firma Pixar wird gegründet und wird im selben Jahr mit dem vollständig im Computer erzeugten Film Luxo Jr. für den Oscar für den besten animierten Kurzfilm nominiert 1989: Einführung von Motion Capture durch Jim Henson, Nutzung mechanischer Eingabegeräte für Computeranimation 1993: Steven Spielberg s Film Jurassic Park (anstelle der ursprünglich geplanten Puppenanimationen werden Computeranimationen für die Dinosaurierszenen eingesetzt) OpenGL trägt erheblich zur Standardisierung und damit der Verbreitung von 3D-Computergrafik bei. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 16

9 1995: Toy Story kommt in die Kinos; erster vollständig computeranimierte Film von Pixar; Rendering: Std. Berechnungszeit für 70 min Film auf 177 Sun Sparc : sehr gute Gesichtsanimationen von virtuellen Charakteren im Film Shrek 2001: Final Fantasy erster komplett computer- animierter Spielfilm mit realistischen virtuellen Charakteren; die Produktion des Films dauerte ca. 4 Jahre, wobei etwa 170 Computeranimatoren tätig waren Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung Moderne Anwendungen der Computergraphik Planung einer realen Situation (Surgical Planning, Verkehrssimulation,...) Erzeugung einer künstlichen Welt (Film, Spiele, Werbung) Haenselmann AVS Analyse eines mehrdimensionalen Datensatzes (Scientific Visualisation) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 18

10 Vorteile der bildgestützten Informationsvermittlung Rasche Vermittlung mehrdimensionaler Information und damit komplexer Sachverhalte Internationale Verständlichkeit von Bildern Gute Ergänzung der ordnenbaren, reglementierten Textinformation Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 19 Bildbeispiele Piktogramme und Ideogramme Piktogramme und Ideogramme sind eine symbolisierte Darstellung von Sachverhalten oder Ideen. Überwindung von Sprachbarrieren Informationsvermittlung an Analphabeten Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 20

11 Bildbeispiele Karten, Zeichnungen Auf das Wesentliche (!) reduzierte (abstrahierte) Darstellung von mehrdimensionalen Sachverhalten Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 21 Bildbeispiele Visualisierung abstrakter Funktionen Informationsvermittlung über mehrdimensionale Prozesse Definitionsbereich zwei- bis vierdimensional Wertebereich mehrdimensional Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 22

12 Bildbeispiele Photorealistische Darstellung Generierung von 3D Darstellungen von computerinternen 3D Szenen Film Computerspiele Werbung z.t. auch industrielle Anwendungen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung Geschichte der digitalen Bildverarbeitung ab 1921: Fernübertragung von Fotografien als Folge von digitalen Bildelementen ab 1960: Speicherung digitaler Bilder bis 256*256 Pixel, 8 bit, Entwicklung von Grundalgorithmen zur Bildfilterung, Merkmalsextraktion, Klassifizierung 1964: Bildverbesserung von Aufnahmen des Mondes ab 1970: ab 1975: erste verwendbare Anwendungen in der Medizin (Blutzellen, Röntgen), Fernerkundung und Hochenergie-Physik immer stärkere Nutzung zur Lösung industrieller Aufgaben Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 24

13 1.6 Bilderkennung Was ist keine Lampe? Handlungsprozess Objekt/ Umwelt Wahrnehmung Informationsextraktion Aussage (qualitativ) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 25 Datengenerierung Nicht-skalare Messwerte, nicht bildlich, Semantik bekannt Bilder und Daten Abbildung Analyse Bildliche Repräsentation Extrahiertes Wissen - Bildinterpretation Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 26

14 Daten, Information & Wissen Daten: jegliche aufgenommene Information Information: interessante, wichtige Information Wissen: nutzbare Information original gefiltert Störung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 27 Redundante Bildinformation Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 28

15 Bildinterpretation Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 29 Bildinterpretation Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 30

16 1.7 Strategien der Bildverarbeitung Optimierung des Bildgewinnungsprozesses Modellierung des Informationsverlusts Aufgreifen von Wissen über die visuelle Wahrnehmung Verwendung von a-priori Wissen über den Bildinhalt Unterstützung anstatt Durchführung einer Analyse Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 31 Visuelle Wahrnehmung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 32

17 1.8 Beispielanwendungen Photogrammetrie und Fernerkundung Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung Zeilenerkennung Schrifterkennung 2. Worterkennung...Buchstabenerkennung... Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 34

18 Anwendungen in der Medizin a) b) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 35 Industrielle Anwendungen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 36

19 Industrielle Anwendungen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 37 Sicherheitsanwendungen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 38

20 3D Erkennung Bildaufnahme- Modell Korrespondenzen: Heuristisches Modell Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 39 3D Anwendungen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 40

21 Fazit: Bilder effizient einsetzen! Bilder sind ein wichtiger Informationsträger für Vermittlung mehrdimensionaler Prozesse und Sachverhalte Unterstützung anderer Medien (Ton, Text,...) Ableitung von Sachverhalten in Bereichen, wie Medizin / Radiologie Naturwissenschaften Ingenieurswissenschaften Werbung, Marketing, Unterhaltungsindustrie wenn Reduktion und Transformation von Daten in Bilder bzw. die Analyse der Bilder beherrscht werden. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 1. Einführung 41