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

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

3 Hvorfor datagrafikk som fag? n Mange jobber knyttet til datagrafikk: –I bedrifter som leverer eller bruker tjenester som nevnt n 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

4 En helhjertet student Foto: Bent Ramberg Adresseavisen 12. mars 2001

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 n 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 :Skygge- og fargelegging (kap. 6) –Uke :Rastergrafiske algoritmer (kap. 7)

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

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

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

10 Grafiske systemer - maskinvare Input- utstyr Generelt lager Generell prosessor Spesial- prosessorer Frame- buffer Presentasjons- utstyr

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

12 Farger n 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: 6,87·10 10 forskjellige farger

13 Frame-buffer n 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. Høykvalitets- utstyr: dybde 24 -> bits pr. piksel. 8 bits pr. RGB fargekomponent. overlay z-buffer n Brukes også i bildebehandling

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

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

16 Inpututstyr n Tastatur n Mus n Joystick n Tablet n Digitaliseringsbord n Lyspenn n Potensiometer n Kamera

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

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

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

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

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

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

23 Syntetisk kamera Knappenålshullkamera

24 Syntetisk kamera n Aberrasjonsfri (feilfri) avbildning n Uendelig dybdeskarphet

25 Syntetisk kamera z y bildeplan objekt øyepunkt (projeksjons- senter) bilde d (x p,y p,0) (x,y,z)

26 Syntetisk kamera Knappenålshullkamera d

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

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

29 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM The RAVE

30 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM The RAVE

31 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM HOLOBENCH

32 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM ReachIn

33 DISTRIBUERT VISUALISERINGSLABORATORIUM ReachIn