Computergraphik – Grundlagen Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt (FH) Köthen Fachbereich Informatik Wintersemester 2010/2011 Computergraphik – Grundlagen 1 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Teil I Einführung und Organisatorisches Computergraphik – Grundlagen 2 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Inhalt 1. Organisatorisches Zur Person Zur Veranstaltung Ablauf und Regularien Materialien Praktikum Inhalte der Veranstaltung 2. Was ist Computergraphik? Was ist Computergraphik? Geschichte der Computergraphik 3. Anwendungen der Computergraphik Computergraphik – Grundlagen 3 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Wo sind wir? 1. Organisatorisches Zur Person Zur Veranstaltung Ablauf und Regularien Materialien Praktikum Inhalte der Veranstaltung 2. Was ist Computergraphik? 3. Anwendungen der Computergraphik Computergraphik – Grundlagen 4 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Zur Person Prof. Dr. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt E-mail: [email protected] Büro: Lohmannstraße 23, Raum 219 Tel.: (03496) 67-1320 Fax: (03496) 67-1399 Sprechzeiten: donnerstags, 10:00 bis 11:30 Uhr nach Vereinbarung (eMail) Computergraphik – Grundlagen 5 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Aufbau der Lehrveranstaltung Vorlesung Übung / Praktikum theoretisches Wissen Übungsaufgaben zum Stoff der VL Grundlagen Computergraphik Programmierung mit OpenGL Anwendung in grundlegenden Beispielen insgesamt 18 VL fortgesetzt in der 6-Wochen-Phase dann auch Microsoft XNA-Studio insgesamt 12 Übungen / Praktika donnerstags 3. UE MOS: donnerstags, 4.UE g-Woche in 23/232 donnerstags 4. UE g-Woche MI: dienstags, 3.UE g-Woche in 23/232 zusätzlich eigene Arbeit Computergraphik – Grundlagen 6 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Zu erbringende Leistungen Abschluss mit 4 Credits Prüfungsleistung: Klausur 90 min Prüfungsvorleistung: zwei Testate während der Übungen eins davon aus den Übungsaufgaben eine Programmieraufgabe Anmeldung zu Klausur und PVL im HISQIS erforderlich! Computergraphik – Grundlagen 7 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Materialien und Literatur Materialien im moodle (http://www.inf.hs-anhalt.de/moodle/) Kurs: Computergraphik Grundlagen Zugangsschlüssel: CG12010 Literatur: Grundsätzlich sollte es möglich sein, die Veranstaltung ohne weitere Literatur zu besuchen. Ergänzungsliteratur: Klaus Zeppenfeld: Lehrbuch der Graphikprogrammierung, Spektrum-Verlag 2004, ISBN 3-8274-1028-2, 50,00 Euro Alan Watt: 3D Computer Graphics, Addison Wesley, 1999, ISBN 0201398559, ca. 75,00 Euro Edward Angel: Interactive Computer Graphics: A Top-Down Approach With OpenGL, Pearson 2006, ca 70,00 Euro Computergraphik – Grundlagen 8 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Praktikum Programmieren mit OpenGL Lehrheft mit detaillierten Aufgaben/Tutorials im moodle benutzen Visual Studio in den Veranstaltungen andere IDEs (eclipse) auch möglich, dann aber eigenständige Konfiguration / Einarbeitung Ziel: Kennenlernen der wichtigsten OpenGL-Funktionalitäten in der 6-Wochen-Phase: Arbeiten mit Microsoft XNA Game Studio Express minimale Einführung in die Spieleentwicklung Kennenlernen der Entwicklungsumgebung Fortsetzung in “Computergraphik – Modelle und Anwendungen” Computergraphik – Grundlagen 9 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Themen der Vorlesung Computergraphik-Programmierung und -APIs, OpenGL Geometrische Modellierung Mathematische Grundlagen (Punkte, Vektoren, . . . ) Polygonale Modelle Transformationen und Homogene Koordinaten Rendering-Pipeline Beleuchtungsmodelle und -berechnungen Texturen Computergraphik-Hardware Animation Computergraphik – Grundlagen 10 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Ziele der Veranstaltung Überblick über die Computergraphik Kennenlernen der Nutzung einer API (OpenGL) dadurch Vertiefen der Programmierkenntnisse Erkennnen, welche Probleme und Fragestellungen in der Computergraphik behandelt werden auf der Ebene der Algorithmen grundlegende Modelle und Vorgehensweisen Was sind die harten Probleme in der CG? Integration und weitergehende Anwendung dann in Computergraphik – Modelle und Anwendungen“ ” Computergraphik – Grundlagen 11 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Wo sind wir? 1. Organisatorisches 2. Was ist Computergraphik? Was ist Computergraphik? Geschichte der Computergraphik 3. Anwendungen der Computergraphik Computergraphik – Grundlagen 12 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Was ist Computergraphik? Computergraphik Quelle: Wikipedia Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergestützten Erzeugung, im weiten Sinne auch mit der Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln der Computergraphik entstandene Bilder werden Computergraphiken genannt. generative Computergraphik Bilderzeugung aus Modellen interpretative Computergraphik Bildverarbeitung Computer Vision Computergraphik – Grundlagen 13 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Was ist Computergraphik? Computergraphik Quelle: Wikipedia Die Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergestützten Erzeugung, im weiten Sinne auch mit der Bearbeitung von Bildern befasst. Mit den Mitteln der Computergraphik entstandene Bilder werden Computergraphiken genannt. generative Computergraphik Bilderzeugung aus Modellen interpretative Computergraphik Bildverarbeitung Computer Vision Computergraphik – Grundlagen 13 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Generative Computergraphik Generative Computergraphik generative Computergraphik auch häufig Rendering“ genannt ” Bilder werden aus geometrischen Modellen erzeugt dazu weitere Angaben (Kamera, Beleuchtung, . . . ) notwendig algorithmisch herausfordernd; schließt viele Teile der Informatik ein Computergraphik – Grundlagen 14 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Generative Computergraphik geometrische Modellierung geometrische Transformationen incl. Projektion Oberflächenbeschreibungen (Farbe, Materialien, Reflexionseigenschaften) Beleuchtung (Interaktion Licht mit Oberflächen) Berechnung der sichtbaren Teile einer Szene Ausgabe auf einem Raster Animation Computergraphik – Grundlagen 15 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1951 – Whirlwind am MIT Kathodenstrahl-Bildschirm Lichtgriffel Basis für den Prototyp des Luftraumüberwachungssystems SAGE 1951 – Forschungen von General Motors und IBM zu CAD-Systemen 1958 – eines der ersten Videospiele: Tennis for Two“ ” 1959 – erstes CAD-System DAC-1 Computergraphik – Grundlagen 16 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1963 – Sketchpad: erstes interaktives Graphiksystem von Sutherland mit Bildkomposition aus graphischen Standardelementen Interaktion mit Tastatur und Lichtgriffel zur Arbeit mit Menüs Entsprechenden Datenstrukturen zur Verwaltung graphischer Daten 1971 – Raster-Scan-Prinzip von M. Noll (Bell Lab.) vorgeschlagen Computergraphik – Grundlagen 17 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick Mitte der 60er-Jahre – Beginn einer Vielzahl von CG-Forschungsprojekten (am MIT, General Motors, Bell Telephone Lab., Lockheed Aircraft usw.) ab Mitte der 70er Jahre: Graphische Unterprogrammpakete (PLOT10, CAL-Comp) Graphische Programmiersprachen (DIGRA 73) Erste kommerzielle Raster-Displays (max. Auflösung 512 × 512 Pixel, 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) Computergraphik – Grundlagen 18 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1977 – Erste Vorschläge zur Standardisierung von Graphiksoftware – CORE 1979 – Erstmalige Darstellung von spiegelnder Reflexion und Transparenz mit Hilfe des Raytracing Computergraphik – Grundlagen 19 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1979 – Gründung der Computer Graphik Abteilung von LucasFilm durch Geoge Lucas (die Abteilung wird der Special Effects“-Abteilung ” ILM – Industrial Light and Magic – zugeordnet) http://www.youtube.com/watch?v=AfY6jS9LB4U 1980 – Vorführung des Films Vol Libre“ (von L. ” Carpenter, Boeing) auf der SIGGRAPH 1980 (in dem Film wird der Flug durch eine fraktale Landschaft gezeigt) Computergraphik – Grundlagen 20 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1980 – ca. 30 min Computeranimationen im Film Tron“ ” 1981 – erstes Rendering-System REYES ( Rendering everything you ” ever saw“ von L. Carpenter für Lucasfilm – wird später zu Renderman weiterentwickelt) 1981 – Beginn der Entwicklung des Volume-Rendering 1982 – Morphing Computergraphik – Grundlagen 21 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1982 – Gründung Silicon Graphics Inc. (SGI) 1983 – J. Lanier (Atari Research Center) entwickelt Datenhandschuh 1984 – Globale Beleuchtungs-Simulation mit Radiosity 1984 – Gründung Wavefront Technologies für Animations-Software Computergraphik – Grundlagen 22 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1985 – GKS – erster graphischer ISO-Standard (1988 GKS-3D) 1986 – Gründung von Pixar durch Ed Catmull und A.R. Smith nach Abspaltung von Lucas Film 1986 – Pixars RenderMan wird Industrie-Standard 1988 – Film The Abyss“ – ” James Cameron (ILM) Computergraphik – Grundlagen 23 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1989 – Einführung von Motion Capture durch Jim Henson, Nutzung mechanischer Eingabegeräte für Computeranimation 1992 – Neue Maßstäbe bei computergenerierten Spezialeffekten, (Animationen des T1000“-Roboters in J. ” Cameron’s Film Terminator ” 2“) 1993 – Steven Spielberg’s Film Jurassic Park“ ” Computergraphik – Grundlagen 24 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick Anfang-Mitte der 90er Jahre: Verbindung moderner Kommunikationstechnologien mit Graphik Multimedia in verteilten Umgebungen CSCW Graphik im Internet Standards zur Bild- und Bewegtbildübertragung . . . Informations-Visualisierung Methoden des Non-Photorealistic Rendering Computergraphik – Grundlagen 25 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 1995 – Toy Story“ kommt in ” die Kinos; erster vollständig computeranimierte Film von Pixar; Rendering: 800 000 Std. Berechnungszeit für 70 min. Film auf 177 Sun Sparc 20 Computergraphik – Grundlagen 26 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 2001 – sehr gute Gesichtsanimationen von virtuellen Charakteren im Film Shrek“ ” 2001 – Final Fantasy“ – ” erster komplett computer-animiertes Spielfilm mit realistischen virtuellen Charakteren; die Produktion des Films dauerte ca. 4 Jahre, wobei etwa 170 Computeranimatoren tätig waren Computergraphik – Grundlagen 27 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 2001 – Filme mit signifikantem 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 GameCube und Microsoft xBox Computergraphik – Grundlagen 28 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Kurzer geschichtlicher Überblick 2006 – Disney kauft Pixar für 7.4 Mrd. Dollar 2006 – AMD kauft ATI Technologies für 5.4 Mrd. Dollar 2006 – Autodesk kauft Alias für 197 Mio Dollar Extreme Leistungssteigerung bei Graphikkarten Shader-Programmierung Spiele-Markt wird zur treibenden Kraft in der CG-Entwicklung Computergraphik – Grundlagen 29 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Wo sind wir? 1. Organisatorisches 2. Was ist Computergraphik? 3. Anwendungen der Computergraphik Computergraphik – Grundlagen 30 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik Mensch-Computer-Interaktion graphische Benutzungsoberflächen (neuartige) Ein- und Ausgabegabegeräte digitale Kunst Computergraphik – Grundlagen 31 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik Mensch-Computer-Interaktion graphische Benutzungsoberflächen (neuartige) Ein- und Ausgabegabegeräte digitale Kunst Computergraphik – Grundlagen 31 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik Film und Computerspiele Animationen Special Effects Compositing Computergraphik – Grundlagen 32 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik CAD Konstruktion und Fertigung virtuelle Produktion und Tests Prototypen Computergraphik – Grundlagen 33 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik Visualisierung Daten und Informationen räumlich bezogene Daten Prozessvisualisierung Computergraphik – Grundlagen 34 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik erweiterte und virtuelle Realität virtuelle Produktion computergenerierte Welten Interaktion mit dem Betrachter Computergraphik – Grundlagen 35 / 36 Organisatorisches Was ist Computergraphik? Anwendungen der Computergraphik Anwendung der Computergraphik Medizin bildgebende Verfahren Volumengraphik Computergraphik – Grundlagen 36 / 36
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