0 Überblick, Einführung in OpenGL. 0.1 Überblick

Transkript

1 0.1 Überblick Bereiche der Visualisierung - Flow-Vis - Software-Vis - Tensorfield-Vis - Bio-Medical-Vis - Mobile Vis - Geospatial-Vis - Architectural Vis - Vol-Vis - InfoVis - Comparative Vis 0-1

2 0.1 Überblick Visualisierungs-Pipeline Visualisierungsdaten Simulationsdaten Messdaten Simulation Startwerte, Datenfilterung Diskretisierung Randbedingungen / -reduktion Visualization Rendering (mathematisches) Mapping: Sichtdefinition Modell numerische Transformation mathematisches Simulation Modell Projektion Visualisierungsmodell Rasterisierung Visualisierungsdaten Simulationsdaten Bilddaten 0-2

3 0.1 Überblick Anwendungs-Beispiel: Kontext-sensitive Visualisierung (Jun. Prof. Dr. Achim Ebert) State-of-the-Art bei Visualisierungssystemen: - Systemdesign - Große monolithische Systeme - Für spezielle Verwendungszwecke entwickelt - Softwareentwicklung - Anwendung und Visualisierungssystem eng gekoppelt - Programmierung sehr aufwendig - Flexibilität - Plattformabhängigkeit - Manuelle Einstellung der Systemparameter - Keine dynamische Anpassung 0-3

4 0.1 Überblick Anwendungs-Beispiel: Kontext-sensitive Visualisierung - Definition: kontextsensitiv - kontextbezogen, kontextadaptiv - auf den aktuellen Zusammenhang den Kontext bezogen - Definition: kontextsensitive Visualisierung - Eine Visualisierung bzw. eine Visualisierungsapplikation ist genau dann kontextsensitiv, wenn - sie vorgegebene Kontexte berücksichtigt und - flexibel auf sich dynamisch ändernde Situationen proaktiv reagiert. 0-4

5 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung - Szenarien - Benutzerkontext - Individualität und Personalisierung - Benutzermodell: individuelle Benutzereigenschaften 0-5

6 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung - Szenarien - Benutzerkontext - Situationskontext - Aktuelle Situation des Benutzers - Orts- und Umgebungsmerkmale - Visualisierungsanwendungen: - Location-based services - Mobile Visualisierung 0-6

7 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung - Szenarien - Benutzerkontext - Situationskontext - System- und Interaktionskontext - Systemkontext: Möglichkeiten der Rechnerumgebung - Plattformunabhängigkeit - Interaktionkontext: sich dynamisch ändernde Werte - Flexibilität des Visualisierungsprozesses - Parameterwahl: Framerate vs. Qualität 0-7

8 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung - Szenarien - Benutzerkontext - Situationskontext - System- und Interaktionskontext - Darstellungskontext - Ausgabemedium (Art, Größe, Auflösung) - Thematik: Wie stelle ich etwas dar? 0-8

9 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung - Szenarien - Benutzerkontext - Situationskontext - System- und Interaktionskontext - Darstellungskontext - Datenkontext - Wünsche und Vorgaben des Benutzers - Parameter i.d.r. nicht im Voraus bekannt - Thematik: Was stelle ich dar? 0-9

10 0.1 Überblick Kontext-sensitive Visualisierung Agentengesteuerte Visualisierungspipeline Model / Simulation Visualization Geometry Materials Rendering Measurements / Empirical Data Reader Filter Visualization Algorithms Data structures / Geometry / Colors / Textures Lights Anti- Aliasing Resolution User Demands Interaction System Values System Platform 0-10

11 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel MacVis: Multi Agent- and Component-based Visualization READER MARCHING CUBE TEXTURE COORDS LEVEL OF DETAIL RENDERER DATA GENERATION DATA CONVERSION DATA VISUALIZATION REACTIVE AGENT KNOWLEDGE BASE ENVIRONMENT KNOWLEDGE BASE PERFORMANCE AGENT USER DEMANDS ENVIRONMENT LEGEND REACTIVE AGENT PROACTIVE AGENT CONTROL LOOP 0-11

12 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel MacVis: CT-Datensatz eines menschlichen Kopfes - 94 Schichtaufnahmen - Abstand: 1.5 mm - Auflösung: 2562 Pixel - Pixelabstand: 0.8 mm - Farbtiefe: 12 Bit - Marching-Cubes-Algorithmus - Berechnung von Konturflächen - Approximation durch Dreiecksnetze - Im Beispiel: ca Dreiecke (beste Qualitätsstufe) - Level of Detail 0-12

13 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel MacVis: Visual Prototyping 0-13

14 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel MacVis: Volumen-Rekonstruktion aus CT- Datensätzen 0-14

15 0.1 Überblick Einschub: Marching-Cubes Algorithmus - Berechnung von Konturflächen - Erweitert Marching-Squares auf 3D - Marching Squares: - Wähle Zelle - Bestimme Zustand der Zelle -> Bitvektor - Lookup-Table -> Verlauf der Konturlinie - Berechne Schnittpunkte mit Kanten der Zelle: S= ( 1 λ ) Vi +λvj mit - Weiter mit benachbarter Zelle C f(v) i λ= f(v) f(v) j i Grundlagen Kontextsensitive Visualisierung MacVis 0-15 Virtual Try-On Zusammenfassung

16 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog - Vision - Interaktiver Bekleidungskatalog mit Kunden als 3D-Modell - Konfektionsware und Maßkonfektion - Visuelle Passformkontrolle 0-16

17 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog - VITUS 3D Body-Scanner Scanner; Scanvolumen: 1.2m x 0.8m x 2.1m - Laserklasse: 1 (augensicher) - Scandauer: Sekunden -Auflösung: 1-2 mm - Optional: hochauflösende Farbtexturen - Automatische Bestimmung individueller Körpermaße - Virtueller Kunde - Scan-Objekt + Maße + Featurepunkte 0-17

18 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog - Kleidungssimulation - extrem zeitaufwendig - Eingabe: 3D-Scan des Kleidungsstücks - Morphing-Agent - Regelsystem - Basis: bekleidungstechnische Größentabellen - Exakte Maßvorgaben - Lokalität: Änderung von Einzelmaßen (z.b. Ärmellänge) - Kopplung von Maßänderungen (-> Konfektionsgrößen) - Shape-Deformation, Morphing zwischen Größen 0-18

19 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog - Morphing-Technik - Segmentierung des Kleidungsstückes zylindrisch - Bestimmung einer geeigneten sphärisch Parametrisierung für jedes Segment zylindrisch - Deformation - Änderung der lokalen Eckpunkt-Koordinaten bzgl. zugehöriger Parametrisierung - Gesamt-Morph zylindrisch - Additive lokale Deformationen zylindrisch 0-19

20 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog - Virtuelle Anprobe - Positionierung - Vorpositionierung: Featurepunkte aus Scanprozess - Haltungskorrektur zur genauen Positionierung 0-20

21 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: VirtualTryOn Virtueller Bekleidungskatalog Ergebnisse 0-21

22 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: Mobile Visualisierung - Inhalte - Framework für ein flexibles, mobiles Informationsvisualisierungssystem - Optimale visuelle Aufbereitung der Information - Objekt- und/oder aufgabenorientierte Visualisierung - Integration von 3D-Visualisierung auf allen Plattformen - Einsatz modernster mobiler Geräte und Übertragungstechnologien - Demonstrator - Effiziente Informationsvermittlung und betriebliche Leistungssteigerung im Bereich von Abwasseranlagen - Resultat: Transparentere sowie ökonomisch und ökologisch optimierte Prozesse in der Siedlungswasserwirtschaft 0-22

23 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: Mobile Visualisierung - Technik Benutzer- Anfrage DB-Anfrage Resultat PLS- Datenbank Mess- und Prozessdaten Dokumente Dynamische Darstellung Server DB-Anfrage Resultat Pläne Clients Fotos Datenbank Videos Legende: Visualisierungsagenten 3D-Objekte 0-23

24 0.1 Überblick Anwendungsbeispiel: Mobile Visualisierung - Anwendungen - Prozessüberwachung und -visualisierung - Controlling und Benchmarking - Reparatur und Wartung - Aus- und Weiterbildung - Notfall/Unfall 0-24

25 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Einführung/Standard - OpenGL (Open Graphics Library) ist ein Standard für 3D Rendering und 3D Hardware-Beschleunigung - OpenGL läuft unter Windows, MacOs, Linux, Unix, - Website: - Das OpenGL Architectural Review Board ARB bestimmt den Standard 0-25

26 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Eigenschaften - Hohe Qualität und leistungsfähig - Anwendungen in CAD/CAM/CAE Spiele Medizin VR Film / Fernsehen 0-26

27 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Vorteile für Entwickler - Industriestandard, gratis - Neutral und plattformübergreifend - Stabil, kompatibel zu früheren Versionen - Zuverlässig und portierbar, unabhängig von Betriebs- und Window-System - Entwickelt sich weiter, (aktuell: Vers. 1.3) - Skalierbar: Home PC bis Supercomputer - Ausgereiftes API, das low-level Details kapselt - Ausführliche Dokumentation erhältlich 0-27

28 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Software Entwicklung - OpenGL ist reich an Primitiven für Geometrie und Bild, Display-Listen, Transformationen, Beleuchtung, Texturen, Anti-aliasing, Blending, - Anbindung an C, C++, Fortran, Ada, Java, (Lisp) ausgehend von einheitlicher Spezifikation. - Läuft unter den Betriebssystemen UNIX, Linux, MacOs, Windows 95/98/2000, Windows NT, Linux, Python, BeOS - Läuft unter X-Windows (X11), Win32 - Unterstützt 2D und 3D 0-28

29 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Hardwarebeschleunigung - Je nach Grafik-Karte werden gewisse Befehle von reiner Software von der Hardware oder von Soft- und Hardware gemischt ausgeführt - Flexible Implementierung für low-cost PC bis hin zu Grosscomputern - Kartenspezifische Erweiterungen sind ebenfalls möglich 0-29

30 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Grundlage für viele Anwendungen - Viele high-level API s bauen auf OpenGL auf: Open Inventor, IRIS Performer, OpenGL Optimizer, OpenSceneGraph - Applikationen die auf OpenGL basieren: Maya 3D Studio Max WorldToolKit, WorldUp CosmoWorld Games like Unreal, Quake2, 0-30

31 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: ARB - Das OpenGL Architecture Review Board (ARB), wacht über den Standard - Dem Konsortium das 1992 gegründet wurde, gehören Firmen wie IBM, Intel, HP, Microsoft, Silicon Graphics, Evans & Sutherlands,, an - OpenGL wird laufend weiterentwickelt - Endverbraucher, Softwareverkäufer, und OpenGL API Programmierer zahlen keine Lizenzgebühren, (nur Hardware Hersteller) 0-31

32 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Grundlagen - API für Rendering in den Bildschirmspeicher, unterstüzt keine Peripherie wie Window, Maus, Tastatur, Wir verwenden hierzu GLUT - Primitive (Punkt, Linie, Polygone, Pixel Rechteck) unterliegen den jeweils aktiven Modi, die über Prozeduraufrufe gesetzt werden können. - OpenGL ist ein low-level API für 3D und 2D Grafik, das das Rendering und weniger das Modellieren von komplexen Objekten unterstüzt. 0-32

33 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Grundlagen - GL verwendet ein Client-Server Modell: Client: Programm, das das API verwendet. Server: Übernimmt das Rendering. - OpenGL als Status-Maschine: Client state Server state 0-33

34 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Syntax - void glvertex3f(glfloat x, GLfloat y, GLfloat z) - void glnormal3dv(gldouble arg[3]) - Rtype glname{e 1234}{e bsifd ub us ui} ([args,] T arg1,, T argn [, args]) 0-34

35 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Hello World #include <GL/glut.h> int main(int argc, char** argv) { glutinit(&argc, argv); glutinitdisplaymode (GLUT_SINGLE GLUT_RGB); glutinitwindowsize (250, 250); glutinitwindowposition (100, 100); glutcreatewindow ("hello"); init (); glutdisplayfunc(display); glutmainloop(); return 0; /* ANSI C requires main to return int. */ } 0-35

36 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Hello World void init (void) { /* select clearing color */ glclearcolor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); /* initialize viewing values */ glmatrixmode(gl_projection); glloadidentity(); glortho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0); } 0-36

37 0.2 Einführung in OpenGL OpenGL: Hello World void display(void) { glclear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); /* clear all pixels */ /* draw polygon with corners at (0.25, 0.25, 0.0) and (0.75, 0.75, 0.0) */ glcolor3f (1.0, 1.0, 1.0); glbegin(gl_polygon); glvertex3f (0.25, 0.25, 0.0); glvertex3f (0.75, 0.25, 0.0); glvertex3f (0.75, 0.75, 0.0); glvertex3f (0.25, 0.75, 0.0); glend(); /* don't wait! start processing buffered OpenGL routines */ glflush (); } 0-37

38 0.2 Einführung in OpenGL Aufgabe: - Legen Sie in VisualStudio ein erstes Projekt an, übersetzen Sie das oben gegebene Beispielprogramm und führen Sie es aus. - Fügen Sie der Szene ein gelbes Dreieck mit den Ecken (0.25, 0.75, 0.0) (0.75, 0.75, 0.0) und (0.75, 0.75, 0.3) hinzu. - Statt einer orthogonalen Parallelprojektion können Sie auch eine perspektivische Projektion benutzen. Ersetzen Sie dazu im Code die glortho -Anweisung durch folgende Anweisungen: gluperspective(fieldofview, aspect, near, far); glulookat(eyex, exey, eyez, centerx, centery, centerz, upx, upx, upz); Experimentieren Sie mit verschiedenen Sichten auf die Szene. 0-38

39 0.2 Einführung in OpenGL Literatur: Computer Graphics with OpenGL (3. Auflage), D. Hearn, M.P. Baker. Prentice Hall, ISBN: OpenGL: A Primer (2. Auflage), Edward Angel, Addison-Wesley, 2004, ISBN OpenGL 1.4 Programming Guide (3. Auflage), OpenGL ARB, Addison-Wesley, 2003, ISBN The OpenGL Utility Toolkit (GLUT) Programming Interface API Version 3, Mark J. Kilgard, Silicon Graphics, Inc. November 13,