Computergraphik Grundlagen

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1 Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt (FH) Köthen Fachbereich Informatik Wintersemester 2010/ / 36

2 Teil I Einführung und Organisatorisches 2 / 36

3 1. Organisatorisches Zur Person Zur Veranstaltung Ablauf und Regularien Materialien Praktikum Inhalte der Veranstaltung Inhalt 2. Was ist Computergraphik? Was ist Computergraphik? Geschichte der Computergraphik 3. Anwendungen der Computergraphik 3 / 36

4 Wo sind wir? 1. Organisatorisches Zur Person Zur Veranstaltung Ablauf und Regularien Materialien Praktikum Inhalte der Veranstaltung 2. Was ist Computergraphik? 3. Anwendungen der Computergraphik 4 / 36

5 Zur Person Prof. Dr. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt Büro: Lohmannstraße 23, Raum 219 Tel.: (03496) Fax: (03496) Sprechzeiten: donnerstags, 10:00 bis 11:30 Uhr nach Vereinbarung ( ) 5 / 36

6 Aufbau der Lehrveranstaltung Vorlesung theoretisches Wissen Grundlagen Computergraphik Anwendung in grundlegenden Beispielen insgesamt 18 VL donnerstags 3. UE donnerstags 4. UE g-woche Übung / Praktikum Übungsaufgaben zum Stoff der VL Programmierung mit OpenGL fortgesetzt in der 6-Wochen-Phase dann auch Microsoft XNA-Studio insgesamt 12 Übungen / Praktika MOS: donnerstags, 4.UE g-woche in 23/232 MI: dienstags, 3.UE g-woche in 23/232 zusätzlich eigene Arbeit 6 / 36

7 Zu erbringende Leistungen Abschluss mit 4 Credits Prüfungsleistung: Klausur 90 min Prüfungsvorleistung: zwei Testate während der Übungen eins davon aus den Übungsaufgaben eine Programmieraufgabe Anmeldung zu Klausur und PVL im HISQIS erforderlich! 7 / 36

8 Materialien und Literatur Materialien im moodle ( Kurs: Computergraphik Grundlagen Zugangsschlüssel: CG12010 Literatur: Grundsätzlich sollte es möglich sein, die Veranstaltung ohne weitere Literatur zu besuchen. Ergänzungsliteratur: Klaus Zeppenfeld: Lehrbuch der Graphikprogrammierung, Spektrum-Verlag 2004, ISBN , 50,00 Euro Alan Watt: 3D Computer Graphics, Addison Wesley, 1999, ISBN , ca. 75,00 Euro Edward Angel: Interactive Computer Graphics: A Top-Down Approach With OpenGL, Pearson 2006, ca 70,00 Euro 8 / 36

9 Programmieren mit OpenGL Praktikum Lehrheft mit detaillierten Aufgaben/Tutorials im moodle benutzen Visual Studio in den Veranstaltungen andere IDEs (eclipse) auch möglich, dann aber eigenständige Konfiguration / Einarbeitung Ziel: Kennenlernen der wichtigsten OpenGL-Funktionalitäten in der 6-Wochen-Phase: Arbeiten mit Microsoft XNA Game Studio Express minimale Einführung in die Spieleentwicklung Kennenlernen der Entwicklungsumgebung Fortsetzung in Computergraphik Modelle und Anwendungen 9 / 36

10 Themen der Vorlesung Computergraphik-Programmierung und -APIs, OpenGL Geometrische Modellierung Mathematische Grundlagen (Punkte, Vektoren,... ) Polygonale Modelle Transformationen und Homogene Koordinaten Rendering-Pipeline Beleuchtungsmodelle und -berechnungen Texturen Computergraphik-Hardware Animation 10 / 36

11 Ziele der Veranstaltung Überblick über die Computergraphik Kennenlernen der Nutzung einer API (OpenGL) dadurch Vertiefen der Programmierkenntnisse Erkennnen, welche Probleme und Fragestellungen in der Computergraphik behandelt werden auf der Ebene der Algorithmen grundlegende Modelle und Vorgehensweisen Was sind die harten Probleme in der CG? Integration und weitergehende Anwendung dann in Computergraphik Modelle und Anwendungen 11 / 36

12 Wo sind wir? 1. Organisatorisches 2. Was ist Computergraphik? Was ist Computergraphik? Geschichte der Computergraphik 3. Anwendungen der Computergraphik 12 / 36

13 Was ist Computergraphik? Computergraphik Quelle: Wikipedia Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergestützten Erzeugung, im weiten Sinne auch mit der Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln der Computergraphik entstandene Bilder werden Computergraphiken genannt. generative Computergraphik Bilderzeugung aus Modellen interpretative Computergraphik Bildverarbeitung Computer Vision 13 / 36

14 Was ist Computergraphik? Computergraphik Quelle: Wikipedia Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergestützten Erzeugung, im weiten Sinne auch mit der Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln der Computergraphik entstandene Bilder werden Computergraphiken genannt. generative Computergraphik Bilderzeugung aus Modellen interpretative Computergraphik Bildverarbeitung Computer Vision 13 / 36

15 Generative Computergraphik Generative Computergraphik generative Computergraphik auch häufig Rendering genannt Bilder werden aus geometrischen Modellen erzeugt dazu weitere Angaben (Kamera, Beleuchtung,... ) notwendig algorithmisch herausfordernd; schließt viele Teile der Informatik ein 14 / 36

16 Generative Computergraphik geometrische Modellierung geometrische Transformationen incl. Projektion Oberflächenbeschreibungen (Farbe, Materialien, Reflexionseigenschaften) Beleuchtung (Interaktion Licht mit Oberflächen) Berechnung der sichtbaren Teile einer Szene Ausgabe auf einem Raster Animation 15 / 36

17 Kurzer geschichtlicher Überblick 1951 Whirlwind am MIT Kathodenstrahl-Bildschirm Lichtgriffel Basis für den Prototyp des Luftraumüberwachungssystems SAGE 1951 Forschungen von General Motors und IBM zu CAD-Systemen 1958 eines der ersten Videospiele: Tennis for Two 1959 erstes CAD-System DAC-1 16 / 36

18 Kurzer geschichtlicher Überblick 1963 Sketchpad: erstes interaktives Graphiksystem von Sutherland mit Bildkomposition aus graphischen Standardelementen Interaktion mit Tastatur und Lichtgriffel zur Arbeit mit Menüs Entsprechenden Datenstrukturen zur Verwaltung graphischer Daten 1971 Raster-Scan-Prinzip von M. Noll (Bell Lab.) vorgeschlagen 17 / 36

19 Kurzer geschichtlicher Überblick Mitte der 60er-Jahre Beginn einer Vielzahl von CG-Forschungsprojekten (am MIT, General Motors, Bell Telephone Lab., Lockheed Aircraft usw.) ab Mitte der 70er Jahre: Graphische Unterprogrammpakete (PLOT10, CAL-Comp) Graphische Programmiersprachen (DIGRA 73) Erste kommerzielle Raster-Displays (max. Auflösung Pixel, 8 Bit pro Pixel, Preis ca DM) Erste Verfahren zur schattierten Objektdarstellung: Beleuchtungsverfahren (Phong 1975, Blinn 1977) Schattierungsverfahren (Gouraud 1971, Phong 1975) Texturierung (Catmull 1974) Schattenwurf (Crow 1977) 18 / 36

20 Kurzer geschichtlicher Überblick 1977 Erste Vorschläge zur Standardisierung von Graphiksoftware CORE 1979 Erstmalige Darstellung von spiegelnder Reflexion und Transparenz mit Hilfe des Raytracing 19 / 36

21 Kurzer geschichtlicher Überblick Gründung der Computer Graphik Abteilung von LucasFilm durch Geoge Lucas (die Abteilung wird der Special Effects -Abteilung ILM Industrial Light and Magic zugeordnet) 1980 Vorführung des Films Vol Libre (von L. Carpenter, Boeing) auf der SIGGRAPH 1980 (in dem Film wird der Flug durch eine fraktale Landschaft gezeigt) 20 / 36

22 Kurzer geschichtlicher Überblick 1980 ca. 30 min Computeranimationen im Film Tron 1981 erstes Rendering-System REYES ( Rendering everything you ever saw von L. Carpenter für Lucasfilm wird später zu Renderman weiterentwickelt) 1981 Beginn der Entwicklung des Volume-Rendering 1982 Morphing 21 / 36

23 Kurzer geschichtlicher Überblick 1982 Gründung Silicon Graphics Inc. (SGI) 1983 J. Lanier (Atari Research Center) entwickelt Datenhandschuh 1984 Globale Beleuchtungs-Simulation mit Radiosity 1984 Gründung Wavefront Technologies für Animations-Software 22 / 36

24 Kurzer geschichtlicher Überblick 1985 GKS erster graphischer ISO-Standard (1988 GKS-3D) 1986 Gründung von Pixar durch Ed Catmull und A.R. Smith nach Abspaltung von Lucas Film 1986 Pixars RenderMan wird Industrie-Standard 1988 Film The Abyss James Cameron (ILM) 23 / 36

25 Kurzer geschichtlicher Überblick 1989 Einführung von Motion Capture durch Jim Henson, Nutzung mechanischer Eingabegeräte für Computeranimation 1992 Neue Maßstäbe bei computergenerierten Spezialeffekten, (Animationen des T1000 -Roboters in J. Cameron s Film Terminator 2 ) 1993 Steven Spielberg s Film Jurassic Park 24 / 36

26 Kurzer geschichtlicher Überblick Anfang-Mitte der 90er Jahre: Verbindung moderner Kommunikationstechnologien mit Graphik Multimedia in verteilten Umgebungen CSCW Graphik im Internet Standards zur Bild- und Bewegtbildübertragung... Informations-Visualisierung Methoden des Non-Photorealistic Rendering 25 / 36

27 Kurzer geschichtlicher Überblick 1995 Toy Story kommt in die Kinos; erster vollständig computeranimierte Film von Pixar; Rendering: Std. Berechnungszeit für 70 min. Film auf 177 Sun Sparc / 36

28 Kurzer geschichtlicher Überblick 2001 sehr gute Gesichtsanimationen von virtuellen Charakteren im Film Shrek 2001 Final Fantasy erster komplett computer-animiertes Spielfilm mit realistischen virtuellen Charakteren; die Produktion des Films dauerte ca. 4 Jahre, wobei etwa 170 Computeranimatoren tätig waren 27 / 36

29 Kurzer geschichtlicher Überblick 2001 Filme mit signifikantem CG-Anteil: Final Fantasy (Square), Monsters Inc.(Pixar), Harry Potter, A.I., Lord of the Rings, Shrek(PDI), The Mummy Returns (ILM), Tomb Raider (Cinesite), Jurassic Park III, Pearl Harbor (ILM), Planet of the Apes (Asylum) 2001 Nintendo GameCube und Microsoft xbox 28 / 36

30 Kurzer geschichtlicher Überblick 2006 Disney kauft Pixar für 7.4 Mrd. Dollar 2006 AMD kauft ATI Technologies für 5.4 Mrd. Dollar 2006 Autodesk kauft Alias für 197 Mio Dollar Extreme Leistungssteigerung bei Graphikkarten Shader-Programmierung Spiele-Markt wird zur treibenden Kraft in der CG-Entwicklung 29 / 36

31 Wo sind wir? 1. Organisatorisches 2. Was ist Computergraphik? 3. Anwendungen der Computergraphik 30 / 36

32 Anwendung der Computergraphik Mensch-Computer-Interaktion graphische Benutzungsoberflächen (neuartige) Ein- und Ausgabegabegeräte digitale Kunst 31 / 36

33 Anwendung der Computergraphik Mensch-Computer-Interaktion graphische Benutzungsoberflächen (neuartige) Ein- und Ausgabegabegeräte digitale Kunst 31 / 36

34 Anwendung der Computergraphik Film und Computerspiele Animationen Special Effects Compositing 32 / 36

35 Anwendung der Computergraphik CAD Konstruktion und Fertigung virtuelle Produktion und Tests Prototypen 33 / 36

36 Anwendung der Computergraphik Visualisierung Daten und Informationen räumlich bezogene Daten Prozessvisualisierung 34 / 36

37 Anwendung der Computergraphik erweiterte und virtuelle Realität virtuelle Produktion computergenerierte Welten Interaktion mit dem Betrachter 35 / 36

38 Anwendung der Computergraphik Medizin bildgebende Verfahren Volumengraphik 36 / 36

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