Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf
Hochschule Anhalt (FH) K¨othen Fachbereich Informatik
Wintersemester 2010/2011
Teil I
Einf¨ uhrung und Organisatorisches
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
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
Zur Person
Prof. Dr. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt
E-mail: stefan.schlechtweg@inf.hs-anhalt.de B¨uro: Lohmannstraße 23, Raum 219 Tel.: (03496) 67-1320
Fax: (03496) 67-1399 Sprechzeiten:
donnerstags, 10:00 bis 11:30 Uhr nach Vereinbarung (eMail)
Aufbau der Lehrveranstaltung
Vorlesung
theoretisches Wissen Grundlagen
Computergraphik Anwendung in grundlegenden Beispielen insgesamt 18 VL donnerstags 3. UE donnerstags 4. UE g-Woche
Ubung / Praktikum ¨
Ubungsaufgaben zum Stoff der VL¨ Programmierung mit OpenGL fortgesetzt in der 6-Wochen-Phase dann auch Microsoft XNA-Studio insgesamt 12 ¨Ubungen / Praktika MOS: donnerstags, 4.UE g-Woche in 23/232
MI: dienstags, 3.UE g-Woche in 23/232
Zu erbringende Leistungen
Abschluss mit 4 Credits
Pr¨ufungsleistung: Klausur 90 min
Pr¨ufungsvorleistung: zwei Testate w¨ahrend der ¨Ubungen eins davon aus den ¨Ubungsaufgaben
eine Programmieraufgabe
Anmeldung zu Klausur und PVL im HISQIS erforderlich!
Materialien und Literatur
Materialien im moodle
(http://www.inf.hs-anhalt.de/moodle/) Kurs: Computergraphik Grundlagen
Zugangsschl¨ussel: CG12010
Literatur:
Grunds¨atzlich sollte es m¨oglich sein, die Veranstaltung ohne weitere Literatur zu besuchen.
Erg¨anzungsliteratur:
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
Praktikum
Programmieren mit OpenGL
Lehrheft mit detaillierten Aufgaben/Tutorials im moodle benutzen Visual Studio in den Veranstaltungen
andere IDEs (eclipse) auch m¨oglich, dann aber eigenst¨andige Konfiguration / Einarbeitung
Ziel: Kennenlernen der wichtigsten OpenGL-Funktionalit¨aten in der 6-Wochen-Phase:
Arbeiten mit Microsoft XNA Game Studio Express minimale Einf¨uhrung in die Spieleentwicklung Kennenlernen der Entwicklungsumgebung
Fortsetzung in “Computergraphik – Modelle und Anwendungen”
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
Ziele der Veranstaltung
Uberblick ¨¨ uber 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“
Wo sind wir?
1. Organisatorisches
2. Was ist Computergraphik?
Was ist Computergraphik?
Geschichte der Computergraphik
3. Anwendungen der Computergraphik
Was ist Computergraphik?
Computergraphik
Quelle: WikipediaDie Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergest¨ utzten 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
Was ist Computergraphik?
Computergraphik
Quelle: WikipediaDie Computergraphik ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der computergest¨ utzten 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
Generative Computergraphik
Generative Computergraphik
generative Computergraphik auch h¨aufig
”Rendering“ genannt Bilder werden aus geometrischen Modellen erzeugt
dazu weitere Angaben (Kamera, Beleuchtung, . . . ) notwendig algorithmisch herausfordernd; schließt viele Teile der Informatik ein
Generative Computergraphik
geometrische Modellierung
geometrische Transformationen incl. Projektion Oberfl¨achenbeschreibungen (Farbe, Materialien, Reflexionseigenschaften)
Beleuchtung (Interaktion Licht mit Oberfl¨achen) Berechnung der sichtbaren Teile einer Szene Ausgabe auf einem Raster
Animation
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1951 – Whirlwind am MIT Kathodenstrahl-Bildschirm Lichtgriffel
Basis f¨ur den Prototyp des Luftraum¨uberwachungssy- stems
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
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1963 – Sketchpad: erstes interaktives Graphiksystem von Sutherland mit
Bildkomposition aus graphischen Standardelementen Interaktion mit Tastatur und Lichtgriffel zur Arbeit mit Men¨us
Entsprechenden Datenstrukturen zur Verwaltung graphischer Daten
1971 – Raster-Scan-Prinzip von M. Noll (Bell Lab.) vorgeschlagen
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
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. Aufl¨osung 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)
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1977 – Erste Vorschl¨age zur Standardisierung von Graphiksoftware – CORE 1979 – Erstmalige Darstellung von spiegelnder Reflexion und Transparenz mit Hilfe des Raytracing
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
http://www.youtube.com/watch?v=AfY6jS9LB4U
1979 – Gr¨undung der Computer Graphik Abteilung von LucasFilm durch Geoge Lucas (die Abteilung wird der
”Special Effects“-Abteilung ILM – Industrial Light and Magic – zugeordnet)
1980 – Vorf¨uhrung des Films
”Vol Libre“ (von L.
Carpenter, Boeing) auf der SIGGRAPH 1980 (in dem Film wird der Flug durch eine fraktale Landschaft gezeigt)
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1980 – ca. 30 min Computeranimationen im Film”Tron“
1981 – erstes
Rendering-System REYES (”Rendering everything you ever saw“ von L. Carpenter f¨ur Lucasfilm – wird sp¨ater zu Renderman weiterentwickelt) 1981 – Beginn der
Entwicklung des Volume-Rendering 1982 – Morphing
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1982 – Gr¨undung Silicon Graphics Inc. (SGI) 1983 – J. Lanier (Atari Research Center) entwickelt Datenhandschuh
1984 – Globale
Beleuchtungs-Simulation mit Radiosity
1984 – Gr¨undung Wavefront Technologies f¨ur
Animations-Software
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1985 – GKS – erster graphischer ISO-Standard (1988 GKS-3D)
1986 – Gr¨undung 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)
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1989 – Einf¨uhrung von Motion Capture durch Jim Henson, Nutzung
mechanischer Eingabeger¨ate f¨ur Computeranimation 1992 – Neue Maßst¨abe bei computergenerierten
Spezialeffekten, (Animationen des”T1000“-Roboters in J.
Cameron’s Film
”Terminator 2“)
1993 – Steven Spielberg’s Film”Jurassic Park“
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
Anfang-Mitte der 90er Jahre:
Verbindung moderner Kommunikationstechnologien mit Graphik Multimedia in verteilten Umgebungen
CSCW
Graphik im Internet
Standards zur Bild- und Bewegtbild¨ubertragung . . . Informations-Visualisierung
Methoden des Non-Photorealistic Rendering
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
1995 –
”Toy Story“ kommt in die Kinos; erster vollst¨andig computeranimierte Film von Pixar; Rendering: 800 000 Std. Berechnungszeit f¨ur 70 min. Film auf 177 Sun Sparc 20
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
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 t¨atig waren
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
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
Kurzer geschichtlicher ¨ Uberblick
2006 – Disney kauft Pixar f¨ur 7.4 Mrd. Dollar
2006 – AMD kauft ATI Technologies f¨ur 5.4 Mrd. Dollar 2006 – Autodesk kauft Alias f¨ur 197 Mio Dollar
Extreme Leistungssteigerung bei Graphikkarten Shader-Programmierung
Spiele-Markt wird zur treibenden Kraft in der CG-Entwicklung
Wo sind wir?
1. Organisatorisches
2. Was ist Computergraphik?
3. Anwendungen der Computergraphik
Anwendung der Computergraphik
Mensch-Computer-Interaktion
graphische
Benutzungsoberfl¨achen (neuartige) Ein- und Ausgabegabeger¨ate digitale Kunst
Anwendung der Computergraphik
Mensch-Computer-Interaktion
graphische
Benutzungsoberfl¨achen (neuartige) Ein- und Ausgabegabeger¨ate digitale Kunst
Anwendung der Computergraphik
Film und Computerspiele Animationen Special Effects Compositing
Anwendung der Computergraphik
CAD
Konstruktion und Fertigung
virtuelle Produktion und Tests
Prototypen
Anwendung der Computergraphik
Visualisierung
Daten und Informationen r¨aumlich bezogene Daten Prozessvisualisierung
Anwendung der Computergraphik
erweiterte und virtuelle Realit¨at
virtuelle Produktion computergenerierte Welten
Interaktion mit dem Betrachter
Anwendung der Computergraphik
Medizin
bildgebende Verfahren Volumengraphik
