Prolog und Einführung - gdv.informatik.uni-frankfurt.de · Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker...

Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung

Graphische Datenverarbeitung

Prolog und Einführung

SS 20042Graphische Datenverarbeitung0. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Übersicht

1. Übersicht Technologien und Anwendungen2. Relationen zu anderen Technologiegebieten

Die fachliche Breite der CG3. Geschichtlicher Überblick zur CG4. Computergraphik an der Goethe-Uni5. Ziele dieser Veranstaltung

Themenübersicht Graphische Datenverarbeitung


Übersicht (Fortsetzung)

6. Literatur, Unterlagen zur Vorlesung, Fachzeitschriften, Konferenzen, Web-Quellen

7. Übungen 8. Prüfungen, Scheine, etc.9. Zusammenfassung 10. Glossar11. Ausblick – Nächste Schritte


Übersicht Technologie und Anwendungen

GDV Animation

Kunst

Training(CGI)

Spiele

CAxCAM

CADCAE

CG

Graphische Daten-verarbeitung GDV

oder synonymComputergraphik CG

oder Computergrafik

war oft Enabling Technology• GUIs• Ingenieuranwendungen CAx• Training (Sichtsimulation,

CGI Systeme)• Spiele• Animation• Kunst


Graphische Datenverarbeitung GDVComputergraphik CG

Anwendungen und Technologien

GDVCG

CAD

GamesEntertainment

Kunst

CAECAM

Virtual Reality

Virtual FactorySpecial Effectsin Film und Video

Training CGISichtsimulatoren

Geographische Informationssystem GIS

Printing &Publishing

Bildverarbeitung GUI

Human Computer Interaction (HCI)

Animation

MultimediaAugmented Reality

Mixed Reality

Visualisierung


Schalenmodell

CAD

GamesEntertainment

Kunst

CAECAM

GUIs

ProduktentwicklungVirtual Factory

BildverbesserungObjekterkennungAufklärungQualitätssicherung

Special Effectsin Film und Video

MedizinChemieBiologie

E-LearningTraining CGI

Geographische Informationssystem GISGeologie

Printing &Publishing

3D GUIs

E-CommerceWeb-Kataloge

Robotics

GDVCG

BV HCI

Animation

Visualisierung

MR MM


Problem (anwendungs-) orientierte Technologien der CG

� Bildverarbeitung� Animation� Multimedia� Visualisierung� Mixed Reality (Virtual Reality, Augmented Reality)

(Virtuelle Realität, Erweiterte Realität)� HCI Human Computer Interface


Spezialvorlesungen an der Goethe-Uni

� Bildverarbeitung (ein wenig in dieser Vorlesung; ab WS 2006/2007 durch Prof. Mester)

� Animation� Multimedia� Visualisierung� Mixed Reality (Virtual Reality, Augmented Reality)

(Virtuelle Realität, Erweiterte Realität)� HCI Human Computer Interface (ein wenig in

dieser Vorlesung; ab WS 2006/2007 durch mich)


Die Relation zur BildverarbeitungDie Relation zur BildverarbeitungDie Relation zur BildverarbeitungDie Relation zur BildverarbeitungDas klassische Schema nach Rosenfeld ´75Das klassische Schema nach Rosenfeld ´75Das klassische Schema nach Rosenfeld ´75Das klassische Schema nach Rosenfeld ´75

Eingabe Ausgabe

Bild Beschreibung

Bild Bild- verarbeitung

Generative Computer-

Graphik

Beschreibung Bildanalyse „alles andere“

Historisch: Strenge Trennung zwischen Computergraphik und Bild-verarbeitung: HW, SW, Systeme, Methoden, ..., Personen, Konferenzen, ... Heute: Integrierte Betrachtung


Computergraphik und Bildverarbeitung

• Symbolische Ebene:

• Merkmalsebene:

• Abtastebene:

• Reiz- & Aktionsebene :

Text, Tabellen (Noten, ..Modelle (Kinematik,

Dynamik, Verhalten)

Geometrie & visuelle Merkmale

Animation Festbild

Digitalvideo

Graphik- undBV-Primitive

Digitales Bild

optisch


Graphikbearbeitung

Bildverstehen

Merkmalsextraktion

Aufnahme

Bildbearbeitung

Rechnerrepräsentation von Medien

• Symbolische Ebene:

• Merkmalsebene:

• Abtastebene:

• Reiz- & Aktionsebene :

CG und BV

Graphik- oderBV-Primitive

Digitales Bild

optisch

Visualisierung

Rendering

Anzeige


Terminologie Animation(1) Animation bezeichnet die Gesamtheit der

Methoden zur Erzeugung synthetischer Bewegtbilder

(2) Animation nennt man ein vermittels (1) erzeugtes Produkt (auf Bewegtbildmedien)

Ursprünge: animus: Lufthauch, Atemanimos: belebenανεµοσ (anemos): Wind, Atem

Zeitvariante Computergraphik

Animation und Videocomputing

Animation� Gesamtheit der Methoden

zur Erzeugung synthetischer Bewegtbilder

� die Methoden, die zur Belebung einer Szene dienen: auf allen Ebenen!

� die erzeugten Produkte

Videocomputing� Erzeugung, Bearbeitung,

Speicherung, Übertragung von digitalem Video

� klassischer Schnitt moderner Schnitt (nichtlinear) und Effekte

� Morphing, ...

Basistechnologien der modernen GDV


Zu viele Definitionen, aber:

Interaktion macht den Unterschied!

Ivan Sutherland (1965)„The screen is a window through which one sees a virtual world. The challenge is to make that world look real, act real, sound real, feel real”

Multimedia

MM >TextBildGraphikTonVideo


Definition „Visualisierung“Grundsätzliches

� Visualisierung bezeichnet den Vorgang der Sichtbarmachung von Materie, Energie, Information oder Prozessen.

� In der Informatik reduziert sich dieses auf die Visualisierung von Daten, Informationen, Modellen, ...

� „In der Tat ist der Mensch ein Augentier.“Herbert W. Franke


Etwas Altbekanntes

„Imagination oder Visualisierung und besonders die Benutzung von Diagrammen haben einen entscheidenden Anteil an der wissenschaftlichen Forschung.“

Rene Descartes, 1637

SS 200417© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

VisualisierungModerne Definition(-sversuche)

� Zwei Aspekte:� “making visible, especially to one’s mind (things not visible to the

eye)” � modernes Mikroskop, Teleskop, ... Bsp. Molekül; Imaging in der Medizin

� “forming a mental image of something (thing not present to thesight, an abstraction, etc.)”�... Informationsvisualisierung ...

� the use of computers or techniques for comprehendingdata or to extract knowledge from the results of simulations, computations, or measurements

Mc Cormick, De Fanti, Brown 1987


Prinzipien

Abbildung von Daten / Informationen � Wahrnehmungsprimitive (Visuelle Variablen)

� Form 2D oder 3D� Farbe max. 2 unabhängige Werte !!!� Textur zwischen 2 und 5 � Zeit 1

Achtung - Wahrnehmung der Primitive ist nicht unabhängig voneinander

- oft Redundanz zu empfehlen


Das Visualisierungsproblem

8 1E-09 0,39269908 0,78539816 1,17809725 1,57079633 1,96349541-6,28318531 -3,8998E-17 -3,8003E-17 -3,511E-17 -3,0583E-17 -2,4827E-17 -1,835E-17-5,89048623 -0,06496636 -0,06330941 -0,05849027 -0,05094748 -0,04135887 -0,03056849-5,49778714 -0,12861662 -0,1253363 -0,11579564 -0,10086286 -0,08187988 -0,06051772-5,10508806 -0,1809723 -0,17635667 -0,16293232 -0,14192089 -0,11521054 -0,08515253-4,71238898 -0,21220659 -0,20679434 -0,19105306 -0,16641523 -0,13509491 -0,09984914-4,3196899 -0,21387636 -0,20842152 -0,19255637 -0,16772468 -0,13615792 -0,10063481

-3,92699082 -0,18006326 -0,17547081 -0,16211389 -0,14120801 -0,11463183 -0,0847248-3,53429174 -0,10827726 -0,10551569 -0,09748379 -0,08491247 -0,06893145 -0,05094748-3,14159265 7,4579E-16 7,2677E-16 6,7144E-16 5,8486E-16 4,7478E-16 3,5091E-16-2,74889357 0,13921362 0,13566303 0,1253363 0,10917317 0,08862614 0,0655039-2,35619449 0,30010544 0,29245136 0,27018982 0,23534668 0,19105306 0,14120801-1,96349541 0,47052798 0,45852733 0,42362402 0,3689943 0,29954742 0,22139658-1,57079633 0,63661977 0,62038301 0,57315917 0,49924569 0,40528473 0,29954742-1,17809725 0,7842133 0,76421222 0,70604003 0,61499051 0,49924569 0,3689943-0,78539816 0,90031632 0,87735407 0,81056947 0,70604003 0,57315917 0,42362402-0,39269908 0,97449536 0,9496412 0,87735407 0,76421222 0,62038301 0,458527332,2204E-15 1 0,97449536 0,90031632 0,7842133 0,63661977 0,470527980,39269908 0,97449536 0,9496412 0,87735407 0,76421222 0,62038301 0,458527330,78539816 0,90031632 0,87735407 0,81056947 0,70604003 0,57315917 0,423624021,17809725 0,7842133 0,76421222 0,70604003 0,61499051 0,49924569 0,36899431,57079633 0,63661977 0,62038301 0,57315917 0,49924569 0,40528473 0,299547421,96349541 0,47052798 0,45852733 0,42362402 0,3689943 0,29954742 0,221396582,35619449 0,30010544 0,29245136 0,27018982 0,23534668 0,19105306 0,14120801


Was ist dies?

0,000000001 -6,283185307-5,890486225-5,497787144-5,105088062-4,71238898-4,319689899-3,926990817-3,534291735-3,141592654-2,748893572-2,35619449-1,963495408-1,570796327-1,178097245-0,785398163-0,3926990822,22045E-150,3926990820,7853981631,178097245


oder dies?

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-6,2

8318

53

-5,1

0508

81

-3,9

2699

08

-2,7

4889

36

-1,5

7079

63

-0,3

9269

91

0,78

5398

2

1,96

3495

4

3,14

1592

7

4,31

9689

9

5,49

7787

1

6,67

5884

4

7,85

3981

6

9,03

2078

9

10,2

1017

6

11,3

8827

3

12,5

6637

1

0,0000000010,3926990830,7853981641,1780972461,5707963281,9634954092,3561944912,7488935733,1415926553,5342917363,9269908184,31968994,7123889815,1050880635,4977871455,8904862266,2831853086,675884397,0685834727,461282553


Die 2D-sinc Funktion

-6,2

83-4

,712

-3,1

42-1

,571

0,00

01,

571

3,14

24,

712

6,28

37,

854

9,42

5

10,9

96

12,5

66

0,0001,963

3,9275,890

7,854-0,3-0,2-0,1

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

10,9-10,8-0,90,7-0,80,6-0,70,5-0,60,4-0,50,3-0,40,2-0,30,1-0,20-0,1-0,1-0-0,2--0,1-0,3--0,2


Virtual Reality (VR)

� Begriff von Jaron Lanier, 1987 geht aber zurück auf� Artifical Reality

von Myron Krueger, 1982 als Buchtitelheute zunehmend benutzt

� Virtual EnvironmentsHauptziel: Immersion (Vermittlung des Gefühls, Teil des Geschehens zu

sein – eingetaucht zu sein)Eingabegeräte: Handschuh, 3D-Mouse, ...Ausgabegeräte: Head Mounted Display, Walls, Caves

� Erweiterung zu Mixed Realityumfasst auch Augented Reality


HCI Human Computer InteractionUser Interface

Benutzungsschnittstelle

nicht Benutzerschnittstelle„Gesicht“ eines interaktiven Programms� Screen Design:

Graphischer Entwurf, Layout � DesignaufgabeRolle / Wirkung von Form, Farbe, Bewegung, ...

� Interaktions-Design:Metaphern, z.B. Desktop, Drag&Drop, Point&Click, Gummiband, ...

� Evaluation� Toolkits


Interaktion

� Schlüsselelement fürGraphischeBenutzungsoberflächen

� WIMP-SchnittstellenWindowsIcons MenuesPointing Devices

� Basis der Werkzeug-Metapher

Sutherland’s Sketchpad (1963)

Engelbart’s Mouse (1963-64)


Der CG MarktVorhersage 1999 - 2004

in Mrd. US $ 1999 2004 Jährliches WachstumCG gesamt davon 3D 3D Anteil CG gesamt davon 3D 3D Anteil CG gesamt 3D Anteil

Multimedia 25 5 20% 45 15 33% 12,5% 24,6%CAD/CAM/CAx 17 6 35% 26 14 54% 8,9% 18,5%Graphic Art 10 3 30% 22 11 50% 17,1% 29,7%Art / Animation 7 5 71% 13 10 77% 13,2% 14,9%Scientific Visualisation 6 1 17% 11 4 36% 12,9% 32,0%Virtual Reality 1 1 100% 3,5 3,5 100% 28,5% 28,5%Realtime Simulation 1 1 100% 1,5 1,5 100% 8,4% 8,4%Sonstiges 5 3 60% 11 3 27% 17,1% 0,0%Summe 72 25 40% 134 62 46% 13,2% 19,9%

• Carl Machover beobachtet den CG-Markt seit 25 Jahren• 1976: Gesamt CG Markt: US $540 million :• Zahlen enthalten Umsätze für: Hardware (40%),

Software(35%), Systeme (15%), Services (10%)• 3D-Segment (in 99 40%) weißt höhere Wachstumsrate auf;

ca. 20% von $24,9 Mrd. auf $62 Mrd. in 2004, entspricht 46%.• CAD/CAM, SciVis, Realtime Simulation eher gesättigt

hatten anfangs den Markt getrieben


Übersicht


Die fachliche Breite der CG3. Geschichtlicher Überblick zur CG4. Computergraphik an der Goethe-Uni5. Ziele dieser Veranstaltung6. Themenübersicht

Graphische Datenverarbeitung


Relationen zu anderen Technologie- und Wissensgebieten

� Hardware (Technische Informatik)� Wahrnemhungs- und Kognitions-Psychologie� Ergonomie � Arbeitswissenschaften� Semiologie (Zeichenlehre) � Philosophie� Farbenlehre � Physik und Kunst� Physik ... Simulation

� Systemtheorie� Mathematik

� Geometrie CAGM (Computer Aided Geometric Modeling)� Numerik

� SW-Engineering, u.v.a.m.� Networking (Internet)


Die fachliche Breite der CG

� Hardware und Systeme� Psychophysik des Visuellen Systems und

Bildwahrnehmung: Form, Farbe, Bewegung, ...� Geometrische Probleme, numerische Probleme� physikalische Modellbildung,

z.B. Licht-Materie-Interaktion� algorithmische Probleme und Optimierungen� Systemtheorie� Design- und Gestaltungsfragen, ... � Softwareergonomie, SW-Engineering, ...


Übersicht





Entwicklung der Gerätetechnik war oft entscheidend für die Entwicklung der Computergraphik

Geschichtlicher Überblick zur CGErste Schritte bis 1965

50er

1959

1961

1961

Kathodenstrahlröhre wird zur Bildausgabe unter Computersteuerung eingesetzt: OszilloskopKalligraphische (Vektor-) Displays = (x,y)-Schreiber

Lichtgriffel (Light-Pen) um Punkte auf dem Bildschirm anzusprechen

Erstes computergestütztes Zeichensystem DAC-1 (Design Augmentedby Computers) bei General Motors /IBM

Sketchpad-System (Sutherland, PhD 1963, MIT )

Datenstrukturen / BildhierarchienBildkomposition aus graphischen StandardelementenInteraktionstechniken (Tastatur, Lichtgriffel)

Steve Russel (MIT) entwickelte erstes video game (Spacewar) auf einer DEC PDP-1


Sturm und Drang1965 - 1975

1969

1969

1971

19711970 – 1975

1974

Alan Kay (Xerox Parc) entwickelt die Desk-Top-Methapher des graphischen User Interfaces �� Apple (Lisa, MAC, …)

Begriff “Informatik” für “Computerwissenschaft” in Deutschland

Bézierkurven (Bézier) werden bei Renault eingesetzt, CAD-Systeme

Erstes RasterdisplayGINO (van Dam) Geräteunabhängiges Ein-Ausgabesystem

(Logische Ein-Ausgabegeräte, normalisierte Gerätekoordinaten) Seillac 1 und Seillac 2 WorkshopBasis für Internationale Normen (Standards):

(CORE 1977), GKS 1985, PHIGS 1989, CGI, … )

Hunger„ von Peter Foldes : Erster voll animierter Film mit Hilfe vonComputer Techniken( Interpolation und Inbetweening). Die erste Morphing Technik


HardwareentwicklungSchlüsseltechnologie

Mitte 70er

Ende 70er

Anfang 80er

Raster-Displays werden als Textterminaleingesetzt, damit auch Blockgraphikmöglich

CRT-Controller (Bildspeicher auslesen und auf den Schirm ausgeben)

Hardwareunterstützung von 2D-Operationen BitBLT

Weitere Details siehe Doc Computer Graphics History


CG - Beispiele

� Movies� Movies

� Nicht heute, aberEinladung:Video 1 ½ StundenHistory of Computer Graphics (Carl Machover et.al.)Termin ? (im Mai, abends 18.00 Uhr) bei uns ??


Übersicht





Ziele: Hauptvorlesung Graphische Datenverarbeitung

� Vermittlung der Grundlagen Basis für weiterführende Themen der Graphischen Datenverarbeitung � Visualisierung im WS 05/06

� Animation und Multimedia

� Mixed Reality Virtual Environments VR & AR z.T. in Visual Motion Analysis SS 05

� Non Standard Rendering (Dr. Joseph) SS 05

� Open GL (Dr. Joseph) WS 05/06

� Datenkompression I (+ II) (Dr. Vuong) I im SS 05

� Praktika und Seminare� Visualisierung in der SW-Entwicklung S im SS 05

� Wahrheit und Täuschung im Internet (S L3) im SS 05


Ziele dieser Veranstaltung

� Anwendungskompetenz: Die Studierenden haben die grundlegenden Problemstellungen, Methoden, Verfahren und Algorithmen der Computergraphik kennen gelernt. Die Studierenden sollen im Stande sein, für konkrete Problemstellungen systematisch brauchbare Lösungen zu entwickeln und diese zu validieren. Sie sollen problemorientiert geeignete Verfahren und (Basis-) Systeme auswählen und anwenden können.

� Theoretische Kompetenz: CG nutzt neben informatischen Modellen auch spezielle grundlegende Verfahren aus der Mathematik, der Physik, der Signaltheorie und Elemente der subjektiven Wahrnehmung. Elementare Kenntnisse dieser „Theorien“ soll es den Studierenden ermöglichen, nicht nur aktuelle Lösungen und Systeme zu beherrschen, sondern theoretisch untermauerte grundlegende Konzepte und Methoden zu kennen, die über aktuelle Trends hinweg Bestand haben.

� Gestaltungskompetenz: Die Studierenden haben die Grundlagen und Prinzipien der Programmierung Graphischer Systeme kennen gelernt und können Probleme brauchbar lösen.

� Autodidaktische Kompetenz: Die Studierenden sind durch die Grundlagenorientierung dieses Moduls gut auf lebenslanges Lernen vorbereitet. Sie sollen die erlernten Konzepte und Methoden auf zukünftige Entwicklungen übertragen können. Die Studierenden haben gelernt, die Entwicklungen auf dem Gebiet Computergraphik so zu beurteilen, dass sie daraus ihren eigenen Weiterbildungsbedarf ableiten können.


Themenübersicht zur Hauptvorlesung Graphische Datenverarbeitung

Prolog und Einführung1. Grundlagen des digitalen Bildes2. Bildwahrnehmung3. Farbmetrik und Farbrepräsentationen4. Graphische Systeme 5. Grundlagen Geometrischer Transformationen6. Geometrierepräsentationen in 2D und 3D:

Punkte, Linien, Flächen, Körper7. Klipping + Visibilitätsrechnung


Themenübersicht zur Vorlesung Graphische Datenverarbeitung

8. Rastern9. Shading10. Beleuchtungsrechnung11. Texturen12. Ray Tracing und Radiosity13. Elemente der Bildverarbeitung14. Ausblick


Literatur, Unterlagen zur Vorlesung, Bücher, Weitere Quellen

� Folien auf WWW Server www.gdv.cs.uni-frankfurt.de� in ca. 2 Wochen (fast ) vollständig

Ergänzungen Zug um Zug

Lehrbücher� Foley, James D et.al : Introduction to Computer

Graphics, ADDISON WESLEY LONGMAN� Watt, Alan: 3D Computer Graphics, ADDISON

WESLEY LONGMAN


Weitere Lehrbücher

� Encarnacao, Strasser, Klein: Graphische Datenverarbeitung I+II, Oldenbourg

� Möller, Haines: Real-Time RenderingAK Peters Ltd.

� Schuhmann, Müller: VisualisierungSpringer 2000


Wo findet man uns?

Prof. Dr.-Ing. Detlef KrömkerVarrentrappstraße 40-42, 2. OG60486 FrankfurtTel. .: 49 (0)69 979 95-0140Email: [email protected]: http://www.agc.fhg.deSprechstunde: Dienstag 13 –15 Uhr

nach VereinbarungSekr. Frau Goinar, Frau Quasten

Fraunhofer-AnwendungszentrumComputergraphik in Chemie und Pharmazie (AGC)

Johann Wolfgang Goethe-UniversitätFachbereich Biologie und InformatikGraphische Datenverarbeitung

Rob

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Wie lernt man CG?

drei Zugänge:Übersicht (Survey) � Vorlesung(alles erscheint einfach ... aber können Sie es umsetzen,

eigene Lösungen finden?)

Algorithmisch � VorlesungDetails, Details, Details, ... Schnelles Vergessen garantiert!

Programmieren, Aufgaben � Übung„I do and I understand“


9. GDVÜbung zur Vorlesung

� Vertiefungen und Übungen zum Vorlesungsstoff 5-6 Übungsblätter

� Hausaufgaben Fingerübung JAVA-3D + eine individuelle Hausaufgabe

� Vorlesung 4 SWS: Mo 12-14, Do 10-12� Übung 2 SWS: Di 14-16 14-tägig � PT3 (P5, P6)� Beginn: übernächste Woche 26.4. (Intro to VRML)


10. Scheine

(Aktive Beteiligung in der Übung)

� Hausaufgaben schriftlich

� Mündliche Rücksprache nach Vereinbarung am Ende des Semesters / auch ggf. in der vorlesungsfreien Zeit


Glossar

Graphische Datenverarbeitung (GDV)Computergraphik (Computergrafik, CG)BildverarbeitungMultimedia (MM)VisualisierungAnimationVirtual Reality (VR)CAD, CAM, CAE, CAx


Glossar (2)

Screen DesignBenutzungsschnittstelle (User Interface, UI)BildrepräsentationenAustauschformateApplication Programmers Interface (API)


Ausblick – Nächste Schritte

� Fundament legen: � Was erzeugen, bearbeiten, speichern, übertragen

wir: BILDER� Repräsentation von Bildern

im Rechner, ...� Austausch, APIs, ...

Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung

DANKE

für Ihre Aufmerksamkeit

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