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Computergraphik – Grundlagen

Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf

Hochschule Anhalt (FH) KothenFachbereich Informatik

Wintersemester 2010/2011

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Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik

Teil I

Einfuhrung und Organisatorisches

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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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Wo sind wir?

1. OrganisatorischesZur PersonZur Veranstaltung

Ablauf und Regularien

MaterialienPraktikumInhalte der Veranstaltung

2. Was ist Computergraphik?


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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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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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http://www.inf.hs-anhalt.de/moodle/


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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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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Wo sind wir?

1. Organisatorisches

2. Was ist Computergraphik?Was ist Computergraphik?Geschichte 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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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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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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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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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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1977 – Erste Vorschlage zurStandardisierung vonGraphiksoftware – CORE

1979 – Erstmalige Darstellungvon spiegelnder Reflexion undTransparenz mit Hilfe desRaytracing

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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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http://www.youtube.com/watch?v=AfY6jS9LB4U



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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1982 – Grundung SiliconGraphics Inc. (SGI)

1983 – J. Lanier (AtariResearch Center) entwickeltDatenhandschuh

1984 – GlobaleBeleuchtungs-Simulation mitRadiosity

1984 – Grundung WavefrontTechnologies furAnimations-Software

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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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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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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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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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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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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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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?


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Anwendung der Computergraphik

Mensch-Computer-Interaktion

graphischeBenutzungsoberflachen(neuartige) Ein- undAusgabegabegerate

digitale Kunst

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Film und Computerspiele

AnimationenSpecial EffectsCompositing

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CAD

Konstruktion undFertigungvirtuelle Produktion undTestsPrototypen

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Visualisierung

Daten und Informationenraumlich bezogene DatenProzessvisualisierung

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erweiterte und virtuelleRealitat

virtuelle ProduktioncomputergenerierteWeltenInteraktion mit demBetrachter

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Medizin

bildgebende VerfahrenVolumengraphik

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