Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

Transkript

1 Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling Notater til forelesninger over: Kapittel 1: Graphics Systems and Models i: Edward Angel: Interactive Computer Graphics Vårsemesteret 2002 Torbjørn Hallgren Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet 1

2 Hvorfor datagrafikk som fag? Datagrafikk stadig mer brukt i stadig nye anvendelser: Underholdningsindustrien Filmindustrien Dataspill Opplevelsessentra Reklameindustrien Internet Mediabedriftene Som konstruksjonshjelpemiddel i industrien Dataindustrien 2

3 Hvorfor datagrafikk som fag? Mange jobber knyttet til datagrafikk: I bedrifter som leverer eller bruker tjenester som nevnt Sivilingeniøren må kjenne grunnlaget for sine redskaper: Må kjenne muligheter og begrensninger og forstå hvorfor Se nye muligheter for bruk Se muligheter og behov for bedrede redskaper Forstå din begrensning Ikke nok å kunne bruke kokebok Verden endrer seg, du må tilpasse deg Kreativitet betinger innsikt 3

4 En helhjertet student Foto: Bent Ramberg Adresseavisen 12. mars

5 SIF Grafisk databehandling Lærebok (pensum): Edward Angel: Interactive Computer Graphics. A Top-Down Approach with OpenGL, 2nd edition, Addison-Wesley, 2000, ISBN X Støttebok OpenGL: Edward Angel: OpenGL. A primer, Addison-Wesley, 2002, ISBN

6 SIF Datagrafikk Forelesningsplan: Uke 3: Grafiske systemer og modeller (kap 1). Grafisk programmering (kap. 2) Uke 5: Input og interaksjon (kap. 3). Geometriske transformasjoner (kap. 4) Uke 6-7: Geometriske transformasjoner forts. (kap. 4) Uke 8-9: Betraktning (kap. 5) Uke 11-12: Skygge- og fargelegging (kap. 6) Uke 16-17: Rastergrafiske algoritmer (kap. 7) 6

7 Om angrepsmåten Sterkt metode og algoritmeorientert Forelesningene supplement til boka Forelesningene utdyper enkelte sider av pensum Diskusjon sterkt ønskelig Fortløpende lesing sterkt å anbefale 7

8 Hva er grafisk databehandling? Å lage syntetiske bilder av virkelig eller virtuelle objekter Bygge modell av objektet (geometrisk modellering) Avbilde modellen skjerm papir... 8

9 Metoderepertoar Modellere objektet som skal avbildes Farge- og skyggelegging for (foto)realistisk utseende Avbildningen av 3D objekter på 2D flate Overføring av kontinuerlige linjer og flater til diskret rutemønster (raster) 9

10 Grafiske systemer - maskinvare Spesialprosessorer Inpututstyr Generell prosessor Framebuffer Presentasjonsutstyr Generelt lager 10

11 Rasterutstyr Bildene representeres ved et tett og regelmessig nett av små punkter Et slikt punkt kalles et piksel Grafiske elementer (primitiver) som linjer, sirkler, flater etc. må omdannes til et pikselmønster som illuderer elementet: rasterkonvertering, scankonvertering (I gamle dager : vektorgrafisk utstyr) 11

12 Farger Tre-komponentsystem Farger framkommer ved kombinasjon av komponenter av rød, grønn og blå Nøyaktigheten av fargen bestemmes ved antall bit for hver komponent 2 bit: 64 forskjellige farger 8 bit: forskjellige farger 12 bit: 6, forskjellige farger 12

13 Frame-buffer Bildelager Har en lagercelle pr. piksel. Bestemmer oppløsningen (antall piksler horisontalt og vertikalt). Eks x 1600 piksler Dybden er antall bits pr. piksel. Bestemmer nøyaktigheten av fargegjengivelse. Høykvalitetsutstyr: dybde 24 -> bits pr. piksel. 8 bits pr. RGB fargekomponent. overlay z-buffer Brukes også i bildebehandling 13

14 Presentasjonsutstyr Skjerm Printer Fotoprinter Videokanon Utstyr for virtuell virkelighet Hjelm Skjerm eller duk med briller Cave 14

15 Skjermer for grafikk Katodestrålerør (CRT) Tre-strålerør (RGB) Oppfriskningsrate: Hz Interlaced: (I gamle dager : Hz interlaced) LCD Ikke-interlaced 15

16 Inpututstyr Tastatur Mus Joystick Tablet Digitaliseringsbord Lyspenn Potensiometer Kamera 16

17 Grafiske systemer - programvare Generell grafisk programvare: GKS PHIGS OpenGl Spesialisert programvare: RenderMan (Pixar) Maya (Alias-Wavefront) 3D Studio AutoCAD 17

18 Grafiske spesialprosessorer Geometriske transformasjoner Bestemmelse av synlighet Lyskilder med skygge- og fargelegging 18

19 Modellering - gjengivelse Modellering-renderingparadigmet Modellering og Gjengivelse (rendering) holdes adskilt 19

20 Modellering En avbildningsoppgave starter med en modell Bygges ved hjelp av grafisk programvare Gjengir fysisk eller virtuell virkelighet: dimensjoner farger tekstur dynamikk 20

21 Avbildning Posisjonere øyepunkt Posisjon i rommet Synsakse Plassere klippevindu Bestemme hva som er synlig Bestemme farge Overføre til avbildningsenhet Rastrere 21

22 Bestemme farge Problem: Refleksjon eller emisjon fra flater med farge, tekstur og refleksjonegenskaper Innfallende: Lyskilder Bakgrunnslys To særlig viktige modeller: Strålesporing (ray tracing) Radiositet 22

23 Syntetisk kamera Knappenålshullkamera 23

24 Syntetisk kamera Aberrasjonsfri (feilfri) avbildning Uendelig dybdeskarphet 24

25 Syntetisk kamera d y (x p,y p,0) bilde (x,y,z) objekt øyepunkt (projeksjonssenter) bildeplan x y p p = = x ( z + d) / d y ( z + d) / d z 25

26 Syntetisk kamera d Knappenålshullkamera 26

27 Syntetisk kamera Variasjonsmuligheter: Posisjon: Projeksjonssenter ( hullet i kameraet) Synsretning ( optisk akse ) Kamera: Endre brennvidde (endre perspektiv) Endre vindu i projeksjonsplanet (utsnitt) Forskyve projeksjonsplanet (parallellforskyvning i bildeplanet) Dreie projeksjonsplanet (manipulere perspektivet) 27

28 VizServer terminals PC Onyx 2 Switch Distributed Visualization Laboratory at NTNU PC Lightwave Lightwave Lightwave Lightwave PC PC Lightwave Lightwave Lightwave Lightwave PC The RAVE at IPT Present installations Installation at CS dept. Installation in auditorium Installation in the hospital Future installations 28

29 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM The RAVE 29

30 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM The RAVE 30

31 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM HOLOBENCH 31

32 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM ReachIn 32

33 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM ReachIn 33