computergrafik für hörer anderer fachrichtungen ws 2012/13

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


CG – 0.2

mailto:[email protected]

Wer sind wir? (cont.)

Übungen Christina Gillmann


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

http://www.tutorialized.com/tutorials/3DS-MAX/1

http://www.psd-tutorials.de/tutorials/3d/autodesk-3ds-max



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


Maya (cont.)

CG – 0.24

Bildquelle: http://down.cd


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


Softimage (cont.)

CG – 0.26

Bildquelle: http://develop3d.com


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


3ds Max (cont.)

CG – 0.28

Bildquelle: http://www.btlnews.com


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€

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Rhinoceros 3D, Rhino (cont.)

CG – 0.30


Beispiele:

CG – 0.31

Bild oben: http://www.archisystems.com.cyBild links: http://tutoplus.net


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


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


Überblick:

InventorPerformerOptimizer

Operating System

OpenGLDirect3D, DirectX

Quickdraw3D (Mac)

Java3DVolumizer

Java3D

Application

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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


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


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


Open Inventor (cont.) Beispiel: Szenengraph

CG – 0.41


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


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


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


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


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


Virtual Try-On – Existierende Ansätze

Otto Versand

CG – 0.48


Virtual Try-On – VITUS 3D Body-Scanner

CG – 0.49


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


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


Virtual Try-On – Virtuelle Bekleidungsanprobe Positionierung

Vorpositionierung: Featurepunkte aus Scanprozess „Haltungskorrektur” zur genauen Positionierung

CG – 0.52


Virtual Try-On – Ergebnisse

CG – 0.53

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