Geschichte der Computergrafik Zeichenalgorithmen Bildformate Grafikstandards

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Arthur Giese
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1 Thomas Jung Geschichte der Computergrafik Zeichenalgorithmen Bildformate Grafikstandards 1

2 Einschätzung der heute gängigen Technologie Verstehen der Abläufe im Rechner Einsatz von Bildformaten Überblick zum Thema Computergrafik Vektorgrafik beschreibt Grafikprimitive (Linie, Kreis, etc.) verlustfrei skalierbar Speicherbedarf steigt mit Detailreichtum Einfache Konvertierung in Rastergrafik durch Rasterung Rastergrafik beschreibt Bildpunkte entspricht Möglichkeiten aktueller Hardware Speicherbedarf steigt mit Auflösung Fotografische Aufnahme möglich Schwierige Konvertierung in Vektorgrafik durch Vektorisierung (Bildquelle: Wikipedia) 2

) verlustfrei skalierbar Speicherbedarf steigt mit Detailreichtum Einfache Konvertierung in Rastergrafik durch Rasterung Rastergrafik

3 Kathodenstrahl wird auf Bildschirm platziert Zahl der Primitive pro Bild begrenzt Erste graphische Anzeige 1949 Springender Ball, Whirlwind Computer, MIT Erste interaktive Grafik 1958 (?) Oszilloskop mit regelbarem Abflugwinkel, Auslösung des Flugs per Knopf, Willy Higginbotham, Brookhaven National Laboratory Erstes Computerspiel 1961 Spacewar, DEC - PDP 1, Steve Russell Flugsimulator mit grafischer Ausgabe 1963 General Electrics 3D-Vektordisplay 1977 Spiel Speed Freak, Cinematronics (Bildquellen: Brookhaven National Laboratory, Wikipedia, u. a.) Entstanden in den 1980iger Jahren günstige Hardware durch Farbfernsehen Bildspeicher zur Zwischenspeicherung Ausgelesen von RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) Vektordaten werden gerastert z. B. Bresenham-Algorithmus für Linien 3

Flugsimulator mit grafischer Ausgabe 1963 General Electrics 3D-Vektordisplay 1977 Spiel Speed Freak, Cinematronics http://www.youtube.com/watch?

4 Pong 1972 noch kein Rastergrafiksystem Spezielle Elektronik zum Zeichnen des Balkens Spielautomaten Breakout 1976 Pacman 1980 Heimcomputer C x 200 Pixel, 16 Farben Commodore Amiga 1985 C64 Amiga 1980iger erste Grafikkarten 1995 erster 3D- Beschleuniger (nvidia) 2000 integrierte GPUs auf der Hauptplatine (Notebooks) Ab ca zusätzliche Funktionen ( Bildquelle: ) ATI Radeon HD 5870 (Bildquelle Wikipedia) 4

Grafikkarten 1995 erster 3D- Beschleuniger (nvidia) 2000 integrierte GPUs auf der Hauptplatine (Notebooks) Ab

5 Falls Speicherzellen nicht alle Farben repräsentieren Beispiel 8bit-Speicher ermöglicht 2 8 = 256 unterschiedliche Farbwerte Mensch kann mehr als 2 24 Farben unterscheiden Spezielle Hardwarekomponente ( Look up table ) erlaubt es noch, Farben anpassen Feste (Fensterübergreifende) Farbtabelle: Dithering Variable Farbtabellen pro Bild: Farbquantisierung Bessere Bildqualität, aufwändiger Falschfarben in anderen Fenstern Unter X-Windows möglich nicht aber unter MS Windows (Bildquellen: Wikipedia) Abbildung auf feste Farbtabelle Übertragung der Fehler auf Nachbarpixel (Bildquellen: Wikipedia) 5

Dithering Variable Farbtabellen pro Bild: Farbquantisierung Bessere Bildqualität, aufwändiger Falschfarben in anderen Fenstern Unter X-Windows

6 Linien und Polygone werden abgetastet Unendliche Zahl von Punkten auf endliches Raster Unterabtastung erzeugt Aliasing Antialiasing Vorlesung Polylinien durch Bresenham-Algorithmus Polygone durch Scanline-Algorithmus Vorlesung zum Thema Beleuchtung Ursprünglich 1962 von Bresenham für Plotter Heute Algorithmus-Varianten anderer Autoren Rasterung mit einfachen Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation mit 2 (Shift) Bestandteil auch aktueller Grafikchips Erweiterbar auf Rasterung von Kreisbögen Antialiasing in späterer Vorlesung Jack Bresenham (IBM) (Bildquelle: ) 6

Algorithmus-Varianten anderer Autoren Rasterung mit einfachen Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation mit 2 (Shift) Bestandteil auch aktueller

7 Schnelle Richtung Hier x-richtung weil Steigung = (y2 y1) / (x2 x1) < 1 Jeweils Schritt in schneller Richtung Fehler initialisieren pro Schritt Steigung subtrahieren Schritt in langsamer Richtung bei Fehler < 0 ( Bildquelle: Wikipedia ) Entweder 8 Spezialfälle: oder: dx = xend - xstart; dy = yend - ystart; if (dx < 0) { incx = -1; dx = -dx; } else incx = (dx > 0); if (dy < 0) { incy = -1; dy = -dy; } else incy = (dy > 0); dist = (dx > dy)? dx : dy; x = xstart; y = ystart; xerr = dx; yerr = dy; for (t = 0; t < dist; t++) { image[y][x] = col; xerr += dx; yerr += dy; if (xerr > dist) { xerr -= dist; x += incx; } if (yerr > dist) { yerr -= dist; y += incy; } } image[yend][xend] = col; 7

-dx; } else incx = (dx > 0); if (dy < 0) { incy = -1; dy = -dy; } else incy = (dy > 0); dist = (dx > dy)?

8 Y ist schnelle Richtung beim 1. Oktant Entweder x wird dekrementiert oder bleibt konstant Vergleich des quadrierten Abstands beider Pixel zum Kreisbogen Variante mit kleinerem Abstand wählen Abstand 2 = x 2 + y 2 r 2 Keine Wurzelberechnung erforderlich Quadrierung kann durch Iteration vermieden werden (y + 1) 2 = y y + 1 Spiegelung der anderen 7 Oktanten ( Bildquelle: Wikipedia ) Vektorgrafiken Flash-SWF, SVG, inclusive Text: PDF, aber auch DXF (CAD-Austausch) oder 3D-Formate: VRML, (3D-Modellierer) teilweise kompakter zu speichern Rastergrafiken Bildformate Kompression 3D-Voxeldaten Medizin 8

wählen Abstand 2 = x 2 + y 2 r 2 Keine Wurzelberechnung erforderlich Quadrierung kann durch Iteration vermieden werden (y + 1) 2 = y 2 + 2 y + 1

9 Speicherbedarf eines unkomprimierten Bilds: Horizont. Auflösung * Vertikale Aufl. * Bildtiefe + Header Metainformation im Header möglich (EXIF-Spez.) Camera, Aufnahmeparameter, Vorschaubild, GPS, Kompression soll Speicherbedarf reduzieren Verlustfreie Kompression Nutzt Kohärenzen im Bild (z. B. gleichfarbige Bildbereiche) Z.B. GIF, (LZW-Kompression) Verlustbehaftete Kompression Nutzt zusätzlich begrenzte menschliche Wahrnehmung Verlust soll nicht erkennbar sein Z. B. JPEG, Einfache Kompression auch in Grafikkarten (Textur), um Bandbreitenbedarf zu verringern Komprimiert einfarbige Bereiche Kann Dateien aufblähen z. B. Windows-Bitmap Dateiendung.RLE Lösung: Kontrollzeichen erst bei Länge > ( Erkennen von Kontrollzeichen erforderlich ) 9

ld (z. B. gleichfarbige Bildbereiche) Z.B. GIF, (LZW-Kompression) Verlustbehaftete Kompression Nutzt zusätzlich begrenzte menschliche Wahrnehmung Verlust soll nicht erkennbar sein Z. B. JPEG, Einfache Kompression auch in Grafikkarten (Textur), um Bandbreitenbedarf zu verringern Komprimiert einfarbige Bereiche 3 4 5 1 Kann Dateien aufblähen z.

10 256 Farben mit Farbtabelle Transparente Farbe (Kein Alpha-Kanal) Interlacing, für Web-Vorschau Jede 8., jede 4., jede 2. Zeile und dann Rest Ab 1989 Speicherung von Bildfolgen Unterstützt LZW-Kompression Nachfolger PNG mit Echtfarbenmodus, Alphakanal und zusätzlicher Huffmann- Codierung Interlacing (Bildquelle: Wikipedia) Tabelle = [ [,A] [,B] [,C] [,D] ]; Abraham Lempel Jacob Ziv Wort = Solange Zeichen vorhanden Zeichen = lieszeichen() Wenn [Wort,Zeichen] in Tabelle dann Wort = [Wort,Zeichen] Sonst Tabelle += [Wort,Zeichen] Ausgabe Wort Wort = Zeichen // Eintrag Ggf. Rest ausgeben Zeichenkette Gefunden und ausgegeben Neuer Eintrag ABCABDBC A 5: A B BCABDBC B 6: B C CABDBC C 7: C A ABDBC 5 8: 5 D DBC D 9: D B BC 6 - Ausgabe also: A B C 5 D 6 = A B C AB D BC Beim Dekodieren wird Tabelle in gleicher Weise aufgebaut (wird nicht übertragen) (Bildquelle: ) 10

Wikipedia) Tabelle = [ [,A] [,B] [,C] [,D] ]; Abraham Lempel Jacob Ziv Wort = Solange Zeichen vorhanden Zeichen = lieszeichen() Wenn [Wort,Zeichen] in Tabelle dann Wort = [Wort,Zeichen] Sonst Tabelle

11 Bilder bestehen nicht mehr aus TrueColor-Pixeln Zur Zeit vorwiegend proprietäre Formate Vorteil: Helligkeit wird später ausgewählt (Tone Mapping) Z. B. an zukünftigen Monitoren Erzeugung durch Rendering ( CGI ) oder Bilder können heute mit konventionellen Kameras durch Kombination von Bildreihen mit unterschiedlichen Belichtungen erzeugt werden ( Bildquelle: ) Vektorgrafik vs. Rastergrafik Farbtabellen und Dithering Rasterung von Linien und Kreisen Speicherung von Rasterbildern 11

an zukünftigen Monitoren Erzeugung durch Rendering ( CGI ) oder Bilder können heute mit konventionellen Kameras durch Kombination von

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