Computergrafik
für Hörer anderer Fachrichtungen
WS 2012/13
Wer sind wir?
Vorlesung Prof. Dr. Hans Hagen
Raum: 36-226 Email: [email protected]
Übungsleitung Inga Scheler
Raum: 34-207 Email: [email protected]
CG – 0.2
Wer sind wir? (cont.)
Übungen Christina Gillmann
Raum: 36-220 Email: [email protected]
Alina Freund Raum: 36-220 Email: [email protected]
CG – 0.3
Vorlesung: Ablauf
Vorlesungstermine:
Freitag, 26.10.2012, 15:30-18:45 Samstag, 27.10.2012, 10:00-13:00 Freitag, 2.11.2012, 15:30-18:45 Samstag, 3.11.2012, 10:00-13:00 Freitag, 16.11.2012, 15:30-18:45 Samstag, 17.11.2012, 10:00-13:00
CG – 0.4
Vorlesung: Ablauf
Skript: Online als PDFs unter: http://gfx.uni-kl.de/~cg Alternativ auf Anfrage im Sekretariat
(Mady Gruys, 36-228) erhältlich (evtl. kapitelweise) Kosten für Kopien: 10 Euro
Prüfung: Mündlich Termine nach Vereinbarung
CG – 0.5
Übung: Konzept
2 Theorie-Übungsblätter Bearbeitung in Zweiergruppen 50% der Punkte notwendig
1 Kurzvortrag Bearbeitung einzeln 50% der Punkte notwendig Vortrag muss gehalten werden
1 Szene Modellieren Bearbeitung in Zweiergruppen Ca. 20 Sekunden Bezug zum jeweiligen Fach
CG – 0.6
Übung: Formales
Ausgabe 1. und 2. Übungsblatt heute Abgabe Szene: 08.02.2012 Abgabe Ausarbeitung: 07.01.2012
Ausgabe 3. Übungsblatt am 26.10.12 Abgabe 02. 11. 12
Ausgabe 4. Übungsblatt am 02.11. 12 Abgabe 16. 11. 12
CG – 0.7
Übung CAD
Tutorials www.tutorialized.com/tutorials/3DS-MAX/1 http://
www.psd-tutorials.de/tutorials/3d/autodesk-3ds-max
Mindestens zwei versch. Kameraeinstellungen
Mindestens ein bewegtes Objekt und ein bewegtes Feature
Min. Ambientes und Specular-Licht
Objekte texturieren (mindestens 4 versch. Texturen)
Min. 20 Sekunden
Sprechstunde: Mi 15:30-17:00
CG – 0.8
Übung Kurzvortrag
Ausarbeitung Gliederung Einleitung
Problemstellung Warum konnte das Problem bisher nicht gelöst werden? kurzer Überblick über die folgenden Kapitel
Ausgearbeitetes Thema Problemstellung genau erklären Hintergründe klären Technik erklären
Schlussfolgerung Pro/Contra Fazit: Kann das Problem mit der Technik gelöst
werden?
CG – 0.9
Übung Kurzvortrag
Zitieren!
http://www.moesgen.de/pmoezit.htm
korrekt und vollständig
CG – 0.10
Computer Graphik
Grafik-HardwareGrafik-Hardware
InteraktionInteraktion
Simulation & AnimationSimulation & Animation
GeometrischeModellierungGeometrischeModellierung
(3D) ComputergrafischeDarstellung
(3D) ComputergrafischeDarstellung
VisualisierungGeometrischeRepräsentation
Manipulation
Verwandte Disziplinen
Bildverarbeitung „Verbesserung“ gegebener Bilder Erkennen von Mustern (pattern) in einem
digitalen Bild (bitmap) Anwendung: Automatische Qualitätskontrolle,
Sicherheitstechnik
Computer Vision Verstehen von Bildern mit Hilfe des Rechners Wahrnehmungs- und Interpretationsprozess des
Gehirns wird in Software ab- und nachgebildet Teilgebiet der KI Anwendung: Retrieval in Mediendatenbanken
CG – 0.12
Verwandte Disziplinen
Mensch-Maschine-Interaktion (MMI / HCI) Aufgaben- und benutzerorientierte Software Interaktionskonzepte
Visualisierung Nutzung der Methoden der Computer Graphik Wahrnehmungs- und aufgabenorientierte Darstellung
von abstrakten, gemessenen oder simulierten Daten
Computer Aided Geometric Design Repräsentation (Datenstrukturen) und Verarbeitung
(Algorithmen) beliebig geformter Objekte beliebiger Topologie (Freiformgeometrie)
CG – 0.13
Literatur ...
Allgemeine Literatur zur Veranstaltung: Bender M., Brill, M.: Computergrafik, 2. Auflage,
Hanser Verlag, 2005. http://www.vislab.de Foley J., van Dam A., Feiner S., Hughes J.:
Computer Graphics – Principles and Practice, Addison-Wesley, second edition, 1997.
Watt A.: 3D Computer Graphics, Addison-Wesley,3rd edition, 2000. gibt es auch als deutsche Übersetzung im gleichen
Verlag
Watt A., Watt M.: Advanced Animation and Rendering Techniques, Addison-Wesley, 1992.
Hoschek, D. Lasser: Grundlagen der geometrischen Datenverarbeitung, Teubner, 1992.
CG – 0.14
Literatur ...
Web-Ressourcen: ACMhttp://www.siggraph.org/
IEEE Technical Committee on Visualization and Graphicshttp://www.cc.gatech.edu/gvu/tccg/
EG European Association for Computer Graphicshttp://www.eg.org/
Gesellschaft für Informatik, Fachausschuss 4.1 Graphische Datenverarbeitunghttp://www.gi-ev.de
CG – 0.15
Literatur ...
Lesenswert: Blinn J.: Jim Blinn‘s Corner - A trip down the graphics
pipeline, Morgan Kaufmann, 1996 Dodsworth: Digital Illusion - Entertaining the Future
with High Technology, Addison-Wesley, 1997. Tufte: Visual Explanations - Images and Quantities,
Evidence and Narrative, Graphics Press, 1997. Blinn J.: Jim Blinn's Corner - Dirty Pixels,
Morgan Kaufmann, 1998.
CG – 0.16
Computergrafik - Inhalt
§0 Historie, Überblick, Beispiele
§1 Begriffe und Grundlagen
§2 Objekttransformationen
§3 Objektrepräsentation und -Modellierung
§4 Sichttransformationen
§5 Kurven und Flächen
§6 Rendering und Visibilität
§7 Mapping-Techniken
CG – 2.17
0.1 Historie
Grundlagen-Ära der Computergrafik: Start Anfang siebziger Jahre, bis Mitte achtziger
Jahre Basierend auf technologischer Entwicklung der
Rastergrafik-Hardware Erster Siegeszug der Computergrafik in der
wissenschaftlichen und der high-end Anwendungsdomäne
Entwicklung von Algorithmen und Datenstrukturen fürfotorealistische Bildsynthese und Modellierung von Objekten
Grundlagen heute benutzter Verfahren (z. B. Ray-Tracing) und Anwendungen (z. B. CAD-Systeme) aus dieser Zeit
CG – 0.18
0.1 Historie
Grundlagen-Ära der Computergrafik: (cont.) Nach Basisfundierung ab den späten achtziger
Jahren Entwicklung weiterführender Techniken und Anwendungen
Notwendigkeit der Verwendung leistungsfähiger aber sehr teuerer Grafikrechner
CG – 0.19
0.1 Historie
Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: Start Ende der neunziger Jahre Basierend auf technologischer (und preislicher)
Entwicklung der PC-Hardware und Hochleistungs-3D-Grafikhardware
Zweiter Siegeszug der Computergrafik in der Anwendungs- und Anwenderdomäne
Algorithmen und Verfahren aus der Grundlagen-Äraerfahren effiziente Hardware-Unterstützung bzw. Umsetzung
CG – 0.20
0.1 Historie
Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: (cont.) Low-level Software-Zugang:
Moderne Software-Schichten kapseln in Form von APIs, wie z. B. OpenGL, Direct3D oder Java3D, zunehmend höhere Funktionalitäten=> Zugang eines breiten Kreises von Anwendungsprogrammierern zu Computergrafikroutinen
High-level Software-Zugang: Moderne Werkzeuge, wie z. B. 3D Studio Max oder
Maya, ermöglichen den komfortablen Umgang mit Computergrafiktechniken für eine breite Anwenderschicht
CG – 0.21
0.1 Historie
Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: (cont.) Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Entwicklung
stehen die Anwendungen der Computergrafiktechniken,insbesondere in speziellen Teilbereichen, wie z. B. Visualization, Scientific Visualization, Information
Visualization Computer-Animation Virtual Reality, Virtual Environments, Augmented
Reality, Tele-Immersion
CG – 0.22
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Maya Professionelles Rendering, Modellierung, Animation Entwickler: Alias|Wavefront (Silicon Graphics Lt.) Aktueller Hersteller: Autodesk Einsatz in Filmen:
Lord of the Rings Trilogy Shrek South Park
Einsatz in Games Left for Dead 2 Portal 2
Plattform: Windows, MacOS, Linux Preis: sehr hoch
Autodesk Maya 2013 (Einzelplatz): 4.700€;kostenlose Lizenz für Studierende
CG – 0.23
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Maya (cont.)
CG – 0.24
Bildquelle: http://down.cd
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Softimage Modellierung, Animation, Rendering und Produktion
im professionellen Bereich Benutzt MentalRay als Ray-Tracer Hersteller: Autodesk Einsatz in Filmen:
Thor District 9
Einsatz in Games: Resident Evil 5 Street Fighter IV
Plattform: Windows Preis: sehr hoch
Autodesk Softimage 2013 (Einzelplatz): 4.900€
CG – 0.25
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Softimage (cont.)
CG – 0.26
Bildquelle: http://develop3d.com
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
3ds Max (3D Studio Max) Modellierung, Animation, Rendering und Produktion
im professionellen Bereich Hersteller: Autodesk (www.autodesk.com) Einsatz in Filmen:
Avatar Transformers X-Men
Einsatz in Games: Guild Wars Tom Clancy‘s Splinter Cell: Double Agent
Plattform: Windows Preis: sehr hoch
Autodesk 3ds Max 2013 (Einzelplatzlizenz): 5.300€;kostenlose Lizenz für Studierende
CG – 0.27
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
3ds Max (cont.)
CG – 0.28
Bildquelle: http://www.btlnews.com
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Rhinoceros 3D, Rhino CAD-Anwendung, Modellierung mit Freiformkurven
und -flächen Hersteller: Robert McNeel & Associates Homepage: www.rhino3d.com Einsatz bei:
Airbus Industries, US Air Force BMW AG, Daimler Chrysler, Ford, Honda, Hyundai,
Toyota, Yamaha LEGO, Microsoft, Miele, Nike, Nintendo, Nokia,
Walt Disney US Army Research
Plattform: Windows Preis: mittel
Rhino 4.0 (Einzelplatz): 1000€, Studierende: 200€
CG – 0.29
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Rhinoceros 3D, Rhino (cont.)
CG – 0.30
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Beispiele:
CG – 0.31
Bild oben: http://www.archisystems.com.cyBild links: http://tutoplus.net
0.2 High-level Anwender-Werkzeuge
Beispiele (cont.):
CG – 0.32
Bild oben: http://static.creativecrash.comBild rechts: http://www.cadacademysrl.it
0.3 Low-level Anwender-Werkzeuge
POVRAY (Persistence of Vision Ray-Tracer) Reiner Renderer ohne 3d-Modellierer Raytracer mit Radiosity-Erweiterung Homepage: www.povray.org Plattform: Windows, MacOS, Linux Preis: freeware, source code!
BMRT (Blue Moon Rendering Tools), RenderMan, Entropy Kommerziell eingesetzter Renderer Einsatz bei: ILM, Pixar
(A Bug's Life, The Cell, Hollow Man) Preis: BMRT = zero for non-profit use;
aber: das war einmal…(Entwickler entwickelten später Nvidia Gelato)
CG – 0.33
0.3 Low-level Anwender-Werkzeuge
VTK – The Visualization Toolkit Objektorientierte Visualisierungsbibliothek (C++
Klassen, TCL Skript-Sprache, Java bindings) mit Standard- und fortgeschrittenen Algorithmen (z. B. contouring, surface smoothing, triangulation) für alle Arten der 3D-Datenvisualisierung.
Hersteller: Kitware Inc. (www.kitware.com) Homepage: www.vtk.org Preis: zero for non-profit use (Open Source)
CG – 0.34
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Begriffe: Immediate Mode:
Direkter Modus, alle Aktionen werden direkt ausgeführt Low-level, d.h. keine bis schwache Abstraktion Fast kein Raum mehr für Optimierung Primitive: Punkte, Linien, Dreiecke, ...
Retained Mode: Indirekter Modus, zuerst wird ein „Szenengraph“
konstruiert Elemente die sich ändern werden spezifiziert Abstrakterer Level Höherwertige Primitive: Kugeln, Quader, Prismen, ...
Bemerkung: Vorsicht, Bezeichnungen werden oft unterschiedlich verwendet!
CG – 0.35
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Es existieren unübersehbar viele Grafikschnitt-stellen (3D-APIs), -sprachen und -standards auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus für viele verschiedene Einsatzgebiete.
Folgende gelten als etabliert: OpenGL (basiert auf IRIS GL) Open Inventor
VRML (3D-Beschreibungssprache, kein API!) Open Performer (ehemals IRIS Performer)
OpenGL OptimizerOpenGL Volumizer
Java3D DirectX, Direct3D
CG – 0.36
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Überblick:
InventorPerformerOptimizer
Operating System
OpenGLDirect3D, DirectX
Quickdraw3D (Mac)
Java3DVolumizer
Java3D
Application
CG – 0.37
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
OpenGL Open Graphics Library Entwickelt 1992,
aktuelle Version 4.2 (August 2011) Quasi-Industriestandard, gut dokumentiert, stabil,
skalierbar, ständige Weiterentwicklung Prozedurales low-level API für 2D und 3D Grafik Oberflächen- und Betriebssystemunabhängig Mehr als 150 Funktionen für
Rendering Texturen Modellierung Transformationen ...
CG – 0.38
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
OpenGL (cont.) Nutzbar mit C, C++, C#, Fortran, Ada, Java Unter Windows, X-Windows und MacOS Einsatzbereiche:
3D Animation CAD Virtuelle Welten Simulationen ...
Referenzimplementierung von SGI unter oss.sgi.com
CG – 0.39
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Open Inventor Objektorientiertes Toolkit für interaktive 3D-
Grafikanwendungen Entwickelt von SGI 1992 Basiert auf OpenGL Definiert Modelle mittels eines Szenengraphen mit
Primitiven wie Würfel, Polygone, NURBS, ... Fensterverwaltung unter X-Windows Definiert ein Dateiformat für den Datenaustausch Event-basierte Modellierung für 3D Interaktion,
Mechanismen für animierte Objekte (engines) und Picking
Plattformunabhängig, Unterstützung von Crossplattformentwicklung
CG – 0.40
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Open Inventor (cont.) Beispiel: Szenengraph
CG – 0.41
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Open Performer (cont.) API, die auf OpenGL aufsetzt und weitere
Funktionalitäten zur Verfügung stellt; Optimiert für den Einsatz in Virtual Reality (VR)
Umgebungen, echtzeitfähig, multithreaded, interaktiv Einsatzbereiche: Visuelle Simulation, Virtual Reality,
CAD-Systeme, Spielentwicklung Mechanismen für transparentes Multiprozessing und
effiziente Nutzung von mehreren/parallelen Prozessoren, Videokanälen und Grafikpipelines ohne Codeänderungen.
Eigene Datenstruktur für schnelles Laden Behandlung von großen Texturen mit bis zu
8*106 x 8*106 Texels
CG – 0.42
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
OpenGL Optimizer Visualisierungsbibliothek für sehr große Modelle Vorwiegend für den Konstruktionsbereich gedacht
(Digital Prototyping) Bietet volle Kontrolle über:
Topologie (z. B. boundary representation) Netzerzeugung (tesselation) Netzvereinfachung (mesh simplification)
OpenGL Volumizer High-level API für Volumendarstellung Darstellung und Manipulation von großen
Volumendatensätzen für Medizin-, Energie- und Wissenschaftsmarkt
Datenmengen im Rahmen von mehreren 100 GB
CG – 0.43
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Java3D Erfolg von Java führte zu Nachfrage nach 3D-API Entstanden aus Kooperation von Sun mit Intel, SGI
und Apple (damals noch ohne MS entwickelt) Zwischenzeitlich eingestellt, nun Open Source Plattformen (heute):
Linux, Windows, MacOS Versionen für OpenGL und DirectX (nur Windows)
Kapselt OpenGL- bzw. DirectX-Funktionalität in leichter verständlicherer, objektorientierter Struktur auf Basis eines Szenengraphen
Ursprüngliche Ziele Spieleentwicklung Unterstützung von high-end Rendering-Umgebungen Unterstützung von 3D-Eingabegeräte
CG – 0.44
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Direct3D Teil von DirectX, das alle Multimedia-Belange
abdecken soll Beschränkt auf Microsoft-Systeme
(Windows, XBox …) 3D-API für Spiele, Multimedia-Anwendungen und
interaktive 3D-Grafik Features:
Umschaltbare Tiefenbuffer Flat- und Gouraudshading Mehrere Lichtquellen und –typen Material- und Texturunterstützung Transformation und Clipping Robuste Emulationstreiber überbrücken fehlende
Hardwarefunktionalität
CG – 0.45
0.4 Tools für Anwendungsprogrammierer
Direct3D (cont.) Architektur:
Component
Retained Mode (RM)
Immediate Mode (IM)
(HEL)
HAL
Graphics hardware
Hardware Emulation Layer(software drivers that act like hardware)
Hardware Abstraction Layer(software drivers that communicate between SW and HW)
DIRECT3D
DirectX Media Layer
DirectX Foundation Layer
DirectShowDirectAnimation
DirectDrawDirect3D Direct3DXDirectInputDirectSoundDirectSound3DDirectPlayDirectMusic
CG – 0.46
0.5 Anwendungsbeispiele
Projekt Virtual Try-On Interaktiver Bekleidungskatalog mit Kunde
als 3D-Modell Konfektionsware und Maßkonfektion Visuelle Passformkontrolle
CG – 0.47
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – Existierende Ansätze
Otto Versand
CG – 0.48
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – VITUS 3D Body-Scanner
CG – 0.49
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – VITUS 3D Body-Scanner Technische Daten
3600-Scanner Scanvolumen: 1.2m x 0.8m x 2.1m Laserklasse: 1 (augensicher) Scandauer: 10 - 20 Sekunden Auflösung: 1 - 2 mm Optional:hochauflösende Farbtexturen
Automatische Bestimmung individueller Körpermaße Virtueller Kunde
= Scan-Objekt + Maße + Featurepunkte
CG – 0.50
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – Intelligente Morphingtechnologie Segmentierung des Kleidungsstückes Bestimmung einer geeigneten Parametrisierung für
jedes Segment Deformation
Änderung der lokalen Eckpunkt-Koordinaten bzgl. zugehörigerParametrisierung
Gesamt-Morph Additive lokale Deformationen
zylindrisch
sphärisch
zylindrisch
zylindrisch
zylindrisch
CG – 0.51
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – Virtuelle Bekleidungsanprobe Positionierung
Vorpositionierung: Featurepunkte aus Scanprozess „Haltungskorrektur” zur genauen Positionierung
CG – 0.52
0.5 Anwendungsbeispiele
Virtual Try-On – Ergebnisse
CG – 0.53
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