Computergraphik – Grundlagen
Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf
Hochschule Anhalt (FH) KothenFachbereich Informatik
Wintersemester 2010/2011
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Computergraphik – Grundlagen
Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Teil I
Einfuhrung und Organisatorisches
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Inhalt
1. OrganisatorischesZur PersonZur Veranstaltung
Ablauf und Regularien
MaterialienPraktikumInhalte der Veranstaltung
2. Was ist Computergraphik?Was ist Computergraphik?Geschichte der Computergraphik
3. Anwendungen der Computergraphik
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Wo sind wir?
1. OrganisatorischesZur PersonZur Veranstaltung
Ablauf und Regularien
MaterialienPraktikumInhalte der Veranstaltung
2. Was ist Computergraphik?
3. Anwendungen der Computergraphik
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Zur Person
Prof. Dr. Stefan Schlechtweg-Dorendorf
Hochschule Anhalt
E-mail: [email protected]
Buro: Lohmannstraße 23, Raum 219
Tel.: (03496) 67-1320
Fax: (03496) 67-1399
Sprechzeiten:
donnerstags, 10:00 bis 11:30 Uhrnach Vereinbarung (eMail)
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Aufbau der Lehrveranstaltung
Vorlesung
theoretisches Wissen
GrundlagenComputergraphik
Anwendung ingrundlegendenBeispielen
insgesamt 18 VL
donnerstags 3. UE
donnerstags 4. UEg-Woche
Ubung / Praktikum
Ubungsaufgaben zum Stoff der VL
Programmierung mit OpenGL
fortgesetzt in der 6-Wochen-Phase
dann auch Microsoft XNA-Studio
insgesamt 12 Ubungen / Praktika
MOS: donnerstags, 4.UE g-Woche in23/232
MI: dienstags, 3.UE g-Woche in23/232
zusatzlich eigene Arbeit
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Zu erbringende Leistungen
Abschluss mit 4 Credits
Prufungsleistung: Klausur 90 min
Prufungsvorleistung: zwei Testate wahrend der Ubungen
eins davon aus den Ubungsaufgabeneine Programmieraufgabe
Anmeldung zu Klausur und PVL im HISQIS erforderlich!
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Materialien und Literatur
Materialien im moodle(http://www.inf.hs-anhalt.de/moodle/)
Kurs: Computergraphik Grundlagen
Zugangsschlussel: CG12010
Literatur:
Grundsatzlich sollte es moglich sein, die Veranstaltung ohne weitereLiteratur zu besuchen.Erganzungsliteratur:
Klaus Zeppenfeld: Lehrbuch der Graphikprogrammierung,Spektrum-Verlag 2004, ISBN 3-8274-1028-2, 50,00 EuroAlan Watt: 3D Computer Graphics, Addison Wesley, 1999, ISBN0201398559, ca. 75,00 EuroEdward Angel: Interactive Computer Graphics: A Top-DownApproach With OpenGL, Pearson 2006, ca 70,00 Euro
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Praktikum
Programmieren mit OpenGL
Lehrheft mit detaillierten Aufgaben/Tutorials im moodle
benutzen Visual Studio in den Veranstaltungen
andere IDEs (eclipse) auch moglich, dann aber eigenstandigeKonfiguration / Einarbeitung
Ziel: Kennenlernen der wichtigsten OpenGL-Funktionalitaten
in der 6-Wochen-Phase:
Arbeiten mit Microsoft XNA Game Studio Expressminimale Einfuhrung in die SpieleentwicklungKennenlernen der EntwicklungsumgebungFortsetzung in “Computergraphik – Modelle und Anwendungen”
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Themen der Vorlesung
Computergraphik-Programmierung und -APIs, OpenGL
Geometrische Modellierung
Mathematische Grundlagen (Punkte, Vektoren, . . . )Polygonale ModelleTransformationen und Homogene Koordinaten
Rendering-Pipeline
Beleuchtungsmodelle und -berechnungen
Texturen
Computergraphik-Hardware
Animation
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Ziele der Veranstaltung
Uberblick uber die Computergraphik
Kennenlernen der Nutzung einer API (OpenGL)
dadurch Vertiefen der Programmierkenntnisse
Erkennnen, welche Probleme und Fragestellungen in derComputergraphik behandelt werden auf der Ebene der Algorithmen
grundlegende Modelle und VorgehensweisenWas sind die harten Probleme in der CG?
Integration und weitergehende Anwendung dann in
”Computergraphik – Modelle und Anwendungen“
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Wo sind wir?
1. Organisatorisches
2. Was ist Computergraphik?Was ist Computergraphik?Geschichte der Computergraphik
3. Anwendungen der Computergraphik
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Was ist Computergraphik?
Computergraphik Quelle: Wikipedia
Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sichmit der computergestutzten Erzeugung, im weiten Sinne auch mitder Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln derComputergraphik entstandene Bilder werden Computergraphikengenannt.
generative Computergraphik
Bilderzeugung aus Modellen
interpretative Computergraphik
BildverarbeitungComputer Vision
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Was ist Computergraphik?
Computergraphik Quelle: Wikipedia
Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sichmit der computergestutzten Erzeugung, im weiten Sinne auch mitder Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln derComputergraphik entstandene Bilder werden Computergraphikengenannt.
generative Computergraphik
Bilderzeugung aus Modellen
interpretative Computergraphik
BildverarbeitungComputer Vision
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Generative Computergraphik
Generative Computergraphik
generative Computergraphik auch haufig”Rendering“ genannt
Bilder werden aus geometrischen Modellen erzeugt
dazu weitere Angaben (Kamera, Beleuchtung, . . . ) notwendig
algorithmisch herausfordernd; schließt viele Teile der Informatik ein
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Generative Computergraphik
geometrische Modellierung
geometrische Transformationen incl. Projektion
Oberflachenbeschreibungen (Farbe, Materialien,Reflexionseigenschaften)
Beleuchtung (Interaktion Licht mit Oberflachen)
Berechnung der sichtbaren Teile einer Szene
Ausgabe auf einem Raster
Animation
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1951 – Whirlwind am MIT
Kathodenstrahl-BildschirmLichtgriffelBasis fur den Prototyp desLuftraumuberwachungssy-stemsSAGE
1951 – Forschungen vonGeneral Motors und IBM zuCAD-Systemen
1958 – eines der erstenVideospiele:
”Tennis for Two“
1959 – erstes CAD-SystemDAC-1
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1963 – Sketchpad: erstesinteraktives Graphiksystemvon Sutherland mit
Bildkomposition ausgraphischenStandardelementenInteraktion mit Tastaturund Lichtgriffel zur Arbeitmit MenusEntsprechendenDatenstrukturen zurVerwaltung graphischerDaten
1971 – Raster-Scan-Prinzipvon M. Noll (Bell Lab.)vorgeschlagen
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
Mitte der 60er-Jahre – Beginn einer Vielzahl vonCG-Forschungsprojekten (am MIT, General Motors, Bell TelephoneLab., Lockheed Aircraft usw.)
ab Mitte der 70er Jahre:
Graphische Unterprogrammpakete (PLOT10, CAL-Comp)Graphische Programmiersprachen (DIGRA 73)Erste kommerzielle Raster-Displays (max. Auflosung 512 × 512Pixel, 8 Bit pro Pixel, Preis ca. 100.000DM)Erste Verfahren zur schattierten Objektdarstellung:
Beleuchtungsverfahren (Phong 1975, Blinn 1977)Schattierungsverfahren (Gouraud 1971, Phong 1975)Texturierung (Catmull 1974)Schattenwurf (Crow 1977)
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1977 – Erste Vorschlage zurStandardisierung vonGraphiksoftware – CORE
1979 – Erstmalige Darstellungvon spiegelnder Reflexion undTransparenz mit Hilfe desRaytracing
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
http://www.youtube.com/watch?v=AfY6jS9LB4U
1979 – Grundung derComputer Graphik Abteilungvon LucasFilm durch GeogeLucas (die Abteilung wird der
”Special Effects“-Abteilung
ILM – Industrial Light andMagic – zugeordnet)
1980 – Vorfuhrung des Films
”Vol Libre“ (von L.
Carpenter, Boeing) auf derSIGGRAPH 1980 (in demFilm wird der Flug durch einefraktale Landschaft gezeigt)
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1980 – ca. 30 minComputeranimationen imFilm
”Tron“
1981 – erstesRendering-System REYES(”Rendering everything you
ever saw“ von L. Carpenterfur Lucasfilm – wird spater zuRenderman weiterentwickelt)
1981 – Beginn derEntwicklung desVolume-Rendering
1982 – Morphing
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1982 – Grundung SiliconGraphics Inc. (SGI)
1983 – J. Lanier (AtariResearch Center) entwickeltDatenhandschuh
1984 – GlobaleBeleuchtungs-Simulation mitRadiosity
1984 – Grundung WavefrontTechnologies furAnimations-Software
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1985 – GKS – erstergraphischer ISO-Standard(1988 GKS-3D)
1986 – Grundung von Pixardurch Ed Catmull und A.R.Smith nach Abspaltung vonLucas Film
1986 – Pixars RenderManwird Industrie-Standard
1988 – Film”The Abyss“ –
James Cameron (ILM)
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1989 – Einfuhrung vonMotion Capture durch JimHenson, Nutzungmechanischer Eingabegeratefur Computeranimation
1992 – Neue Maßstabe beicomputergeneriertenSpezialeffekten, (Animationendes
”T1000“-Roboters in J.
Cameron’s Film”Terminator
2“)
1993 – Steven Spielberg’sFilm
”Jurassic Park“
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
Anfang-Mitte der 90er Jahre:
Verbindung moderner Kommunikationstechnologien mit GraphikMultimedia in verteilten UmgebungenCSCWGraphik im InternetStandards zur Bild- und Bewegtbildubertragung . . .Informations-VisualisierungMethoden des Non-Photorealistic Rendering
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
1995 –”Toy Story“ kommt in
die Kinos; erster vollstandigcomputeranimierte Film vonPixar; Rendering: 800 000Std. Berechnungszeit fur 70min. Film auf 177 Sun Sparc20
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Kurzer geschichtlicher Uberblick
2001 – sehr guteGesichtsanimationen vonvirtuellen Charakteren imFilm
”Shrek“
2001 –”Final Fantasy“ –
erster komplettcomputer-animiertes Spielfilmmit realistischen virtuellenCharakteren; die Produktiondes Films dauerte ca. 4 Jahre,wobei etwa 170Computeranimatoren tatigwaren
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
2001 – Filme mitsignifikantem 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 GameCubeund Microsoft xBox
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Kurzer geschichtlicher Uberblick
2006 – Disney kauft Pixar fur 7.4 Mrd. Dollar
2006 – AMD kauft ATI Technologies fur 5.4 Mrd. Dollar
2006 – Autodesk kauft Alias fur 197 Mio Dollar
Extreme Leistungssteigerung bei Graphikkarten
Shader-Programmierung
Spiele-Markt wird zur treibenden Kraft in der CG-Entwicklung
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Wo sind wir?
1. Organisatorisches
2. Was ist Computergraphik?
3. Anwendungen der Computergraphik
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Anwendung der Computergraphik
Mensch-Computer-Interaktion
graphischeBenutzungsoberflachen(neuartige) Ein- undAusgabegabegerate
digitale Kunst
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Anwendung der Computergraphik
Mensch-Computer-Interaktion
graphischeBenutzungsoberflachen(neuartige) Ein- undAusgabegabegerate
digitale Kunst
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Anwendung der Computergraphik
Film und Computerspiele
AnimationenSpecial EffectsCompositing
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Anwendung der Computergraphik
CAD
Konstruktion undFertigungvirtuelle Produktion undTestsPrototypen
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Anwendung der Computergraphik
Visualisierung
Daten und Informationenraumlich bezogene DatenProzessvisualisierung
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Anwendung der Computergraphik
erweiterte und virtuelleRealitat
virtuelle ProduktioncomputergenerierteWeltenInteraktion mit demBetrachter
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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik
Anwendung der Computergraphik
Medizin
bildgebende VerfahrenVolumengraphik
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