Γραφικά με Η/Υ / Εισαγωγή

Transcript

1 Γραφικά με Η/Υ Εισαγωγή

2 Πληροφορίες μαθήματος (1/4) Υπεύθυνος μαθήματος: Μανιτσάρης Αθανάσιος, Καθηγητής ιδάσκοντες: Μανιτσάρης Αθανάσιος: Μαυρίδης Ιωάννης: ημητρόπουλος Κοσμάς: Ωρολόγιο πρόγραμμα πρόγραμμα μαθήματος: Τμήμα ή Α (Α-Κ): Τρίτη μ.μ Εργαστήριο: Παρασκευή 5 7μ.μ Τμήμα ή Β (Λ-Ω): Τρίτη μ.μ Εργαστήριο: Παρασκευή 7 9μ.μ Εργαστήρια Α & Β πολυμέσ ων

3 Πληροφορίες μαθήματος (2/4) Υλικό μαθήματος: 1. Γραφικά: Αρχές & Αλγόριθμοι Συγγραφέας: Θ. Θεοχάρης, Α. Μπεμ 2. Γραφικά και οπτικοποίηση: Αρχές και αλγόριθμοι Συγγραφέας: Θεοχάρης, Παπαιωάννου, Πλατής

4 Πληροφορίες μαθήματος (3/4) Θεωρία: ιαλέξεις μαθήματος Φροντιστήριο: Ασκήσεις εμπέδωσης ύλης - εργασίες Εργαστήριο: Πρακτικές εφαρμογές - εργασίες πολυμέσ ων

5 Πληροφορίες μαθήματος (Ιστότοπος) (4/4)

6 Γραφικά Η/Υ & Επεξεργασία εικόνας Τα Γραφικά Υπολογιστών (computer graphics) δεν θα πρέπει να συγχέονται με την Επεξεργασία Εικόνας (image processing) παρότι συχνά χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό 6/ 27

7 Αντικείμενο μαθήματος Η σύνθεση (δημιουργία) & η απεικόνιση γραφικής πληροφορίας (περιεχόμενο εικόνας) σε πλεγματική οθόνη υπολογιστή 7/ 27

8 Σύνθεση & Απεικόνιση γραφικής πληροφορίας Εικόνα (πραγματικό κόσμο) εικόνα Ανάλυση Σύνθεση μετάθεση Γραφική πληροφορία (περιεχόμενο εικόνας) πλεγματική οθόνη μετάθεση & κλιμάκωση Καρφί Κόμβος ρίζα μετάθεση & περιστροφή Κεφάλι Σώμα (κύλινδρος) Άξονας (κύλινδρος) Άκρο (κώνος) Κόμβοι φύλλα ανάλυση γραφική πληροφορία σύνθεση & απεικόνιση 8/ 27

9 Στόχοι μαθήματος Θεωρία: Παρουσίαση βασικών αλγορίθμων απεικόνισης δισδιάστατης γραφικής πληροφορίας Εισαγωγή στις δομές και μεθόδους περιγραφής τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας Παρουσίαση των βασικών αλγορίθμων τρισδιάστατης απεικόνισης και φωτορεαλισμού Εργαστήριο: Εισαγωγή στις τεχνολογίες παραγωγής συνθετικής εικόνας & στην θεωρία χρωμάτων. Εξοικείωση με την διαχείριση δισδιάστατης & τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας ρ (προγραμματισμό ρ μ σε VRML & εισαγωγή στο 3D Studio Max) 9/ 27

10 Περιεχόμενο μαθήματος 1. Τεχνολογίες παραγωγής συνθετικής εικόνας 2. Αλγόριθμοι σχεδίασης ευθείας, θί κύκλου & έλλειψης 3. Σχεδίαση δισδιάστατων γραφικών (εισαγωγή στο 3D Studio Max) 4. Αποκοπή 5. ισδιάστατοι & Τρισδιάστατοι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί 6. Αλγόριθμοι γεμίσματος συμπαγών περιοχών 7. Αναπαράσταση επιφάνεια) τρισδιάστατων μοντέλων 8. Σχεδίαση τρισδιάστατων γραφικών (3D Studio Max) 9. Απαλοιφή μη ορατών ακμών & επιφανειών 10. Μοντέλο φωτισμού & σκίασης 11. Προγραμματισμός γραφικών με VRML & JAVA (σε δισδιάστατη 10 / 27

11 Βαθμολογία 1. Βιβλιογραφική εργασία (2 ατόμων): 15% 2. Εργαστηριακή εργασία (2 ατόμων): 15% 3. Τελική εξέταση (γραπτή): 70% (με την προϋπόθεση ότι ο βαθμός της τελικής εξέτασης είναι τουλάχιστον πέντε «5») Ημερομηνία παράδοσης εργασιών, βιβλιογραφικής & εργαστηριακής, η 15 η /12/2010. Για κάθε μέρα καθυστέρησης: μείωση βαθμολογίας κατά 0,5 μονάδες

12 Γραφικά με Η/Υ (εργαστήριο)

13 Εργαστήριο Εισαγωγή γή στις τεχνολογίες παραγωγής γής (δημιουργίας) εικόνας & στην θεωρία χρωμάτων Εξοικείωση με την διαχείριση δισδιάστατης & τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας: ρ προγραμματισμός σε VRML & εισαγωγή στο 3D Studio Max 13 / 27

14 Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας 1. πλεγματική οθόνη 2. γραφικό σύστημα απεικόνισης σάρωση πλεγματικής οθόνης 14 / 27

15 Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Πλεγματική οθόνη) Πλεγματική οθόνη (Raster): δισδιάστατο πλέγμα από pixels Ανάλυση οθόνης (Resolution): είναι το γινόμενο των pixel που μπορούν να απεικονιστούν οριζόντια ρζ στην οθόνη επί τον αριθμό αυτών κατακόρυφα Μαυρόασπρη οθόνη: κάθε pixel μπορεί να είναι φωτεινό ή σκοτεινό. 1, pixel είναι φωτεινό 0, pixel είναι σκοτεινό εικόνα πραγματικού κόσμου σάρωση εικόνα πλεγματικής οθόνης / 27

16 Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Γραφικό σύστημα απεικόνισης ή κάρτα γραφικών) για την απεικόνιση (παρουσίαση) της εικόνας στην πλεγματική οθόνη, απαιτείται η παρεμβολή της κάρτας γραφικών. κάθε εικόνα, σύνολο από pixels, αποθηκεύεται στη μνήμη απεικόνισης. 16 / 27

17 Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Σάρωση σημείων πλεγματικής οθόνης) Η διαδικασία απεικόνισης μιας εικόνας ή ενός αντικειμένου, σύνολο από pixels που βρίσκονται στην μνήμη απεικόνισης, καλείται μετατροπή σε σάρωση 17 / 27

18 Εισαγωγή στην θεωρία χρωμάτων Για την παραγωγή και απεικόνιση έγχρωμων εικόνων υψηλής φωτορεαλιστικότητας, στα σύγχρονα γραφικά συστήματα, σημαντικός παράγοντας είναι το χρώμα (χρωματική πληροφορία). η περιγραφή του χρώματος στον υπολογιστή βασίζεται: σε τρεις παραμέτρους (αναλογίες βασικών χρωμάτων R, G, B ) RGB χρωματικό μοντέλο R G B 18 / 27

19 ιαχείριση γραφικής πληροφορίας (προγραμματισμός γραφικών με VRML) 19 / 27

20 ιαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max) Σκοπός της εισαγωγής στο 3D Studio Max, το πλέον διαδεδομένο πρόγραμμα δημιουργίας φωτορεαλισμού, είναι να δούμε τις βασικές δυνατότητες: σχεδίασης και επεξεργασίας 2D & 3D αντικειμένων διαχείρισης των παραμέτρων τους για την μετατροπή τους σε εύπλαστα αντικείμενα και εισαγωγή και επεξεργασία υλικών φωτισμού & σκίασης για τη δημιουργία φωτορεαλιστικών απεικονίσεων. 20 / 27

21 ιαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max: περιεχόμενα) Βασικές αρχές γεωμετρίας και στερεομετρίας Εισαγωγή στην δισδιάστατη & τρισδιάστατη σχεδίαση Βασικές μέθοδοι μοντελοποίησης (Loft, Lathe, Extrude) Μοντελοποίηση με πολύγωνα Modifiers Κάμερα Φωτισμός Βασικές αρχές υλικών Φωτορεαλισμός Εξαγωγή αποτελέσματος (Rendering) 21 / 27

22 ιαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max: περιβάλλον) 22 / 27

23 Πεδία εφαρμογών Σχεδίαση γραφικών διεπαφών (GUI) Συστήματα πολυμέσων & Εικονική πραγματικότητα Σχεδίαση (CAD): Αρχιτεκτονική, VLSI Γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών (GIS) Προσομοιώσεις (π.χ. χ πτήσεως) Συνθετικές ταινίες & διαφήμιση Ιατρικές εφαρμογές Οπτικοποίηση πληροφοριών Τέχνη Παιχνίδια κ.λ.π 23 / 27

24 Γραφικά με Η/Υ (θεωρία)

25 Θεωρία Παρουσίαση βασικών αλγορίθμων απεικόνισης 2D γραφικής πληροφορίας Εισαγωγή γή στις δομές μς και μεθόδους περιγραφής ργρ 3D γραφικής πληροφορίας Παρουσίαση των βασικών αλγορίθμων 3D απεικόνισης και φωτορεαλισμού 25 / 27

26 Γενικές απαιτήσεις για την σύνθεση & την απεικόνιση γραφικής πληροφορίας σε πλεγματική οθόνη υπολογιστή απαιτείται: αφενός αποτελεσματικότητα ρεαλισμός ταχύτητα κ.ά. αφετέρου μικρή κατανάλωση πόρων η/υ υπολογιστικό κόστος κατανάλωση μνήμης κ.ά. 26 / 27

27 Περιγραφή αντικειμένου 2D καρτεσιανό σύστημα πραγματικές συντεταγμένες σύστημα οθόνης ακέραιες συντεταγμένες y 27 / 27 A (1,1) B (3,5) Γ (4,2) φυσικό σύστημα συντεταγμένων γεωμετρία αντικειμένου πίνακας συντεταγμένων των κορυφών 1 1 P = x oμογενές σύστημα συντεταγμένων

28 Σχεδίαση αντικειμένου 2D (σε πλεγματική οθόνη) ) βασικά γεωμετρικά σχήματα (ευθεία, κύκλος, έλλειψη) & Αλγόριθμοι σχεδίασης Εξίσωσης Επαναληπτικός Bresenham ευθείας, κύκλου & έλλειψης (αυξητικός) (αυξητικός) DDA σάρωσης πολλαπλασιασμοί ή διαιρέσεις (αρκετοί) (ελάχιστοι) - στρογγυλοποιήσεις - μεταβλητή απόφασης / 27

29 Απεικόνιση σημείου: (από παράθυρο σε περιοχή παρατήρησης) 29 / 27

30 Αποκοπή έλεγχος ορατότητας αλγόριθμος Gohen-Sutherland υπολογισμός των σημείων τομής από τις πλευρές του παραθύρου αποκοπής & τις παραμετρικές εξισώσεις της ευθείας εναλλακτική μέθοδος: υποδιαίρεση μεσαίων σημείων απόρριψη x min x max y max y min παράθυρο αποκοπής 30 / 27

31 Γεωμετρικοί μετασχηματισμοί (2D & 3D) ανάγκη επανασχεδίασης ενός αντικειμένου με διαφορετικό: μέγεθος, θέση, κ.λ.π αρχή αξόνων λαβή γεωμετρικός μετασχηματισμός μ είναι ένας πίνακας Μ που επιδρά πάνω στον αρχικό πίνακα P συντεταγμένων των κορυφών ενός αντικειμένου με σκοπό τον υπολογισμό του τελικού πίνακα P συντεταγμένων (επανασχεδίαση αντικειμένου): ήτοι P =M*P απλοί & σύνθετοι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί: μεταφορά,, περιστροφή, ρ κλιμάκωση & στρέβλωση, αντανάκλαση 31 / 27

32 Γέμισμα συμπαγών περιοχών Αλγόριθμοι γεμίσματος: που στηρίζονται στη συνάφεια των pixels του εσωτερικού ενός πολυγώνου X, Y+1 X, Y X, Y1 Y-1 Αλγόριθμοι σάρωσης: που στηρίζονται στη γεωμετρική περιγραφή της περιμέτρου ενός πολυγώνου 32 / 27

33 Περιγραφή αντικειμένου 3D 3D (μοντελοποίηση) ο οίηση) η μοντελοποίηση (περιγραφή) τρισδιάστατων αντικειμένων (παραλληλεπίπεδο, κύβος, πυραμίδα, σφαίρα, κ.λ.π) γίνεται με βάση τρεις κύριες προσεγγίσεις: τα σκελετοπλέγματα (εξωτερικό περίγραμμα) αποτελείται από πολύγωνα παρέχει πληροφορίες για το εξωτερικό σχήμα του αντικειμένου υλοποιείται με την βοήθεια της γεωμετρίας και τοπολογίας τα μοντέλα επιφάνειας (επιφάνεια) τα στερεά μοντέλα (εσωτερικό) η οργάνωση της γραφικής πληροφορίας, για καλύτερη απόδοση των γραφικών,, γίνεται μέσω σχεσιακών βάσεων δεδομένων εξετάζοντας διάφορα σενάρια με στατικούς ή συνδετικούς πίνακες ή συνδεδεμένες λίστες 33 / 27

34 Σχεδίαση αντικειμένων 3D (σε πλεγματική οθόνη) επίπεδες προβολές μετασχηματισμοί προβολής παρατήρησης ης προοπτικός 34 / 27

35 Επίπεδες προβολές προβολή των τρισδιάστατων αντικειμένων πάνω στη δισδιάστατη επιφάνεια των συσκευών απεικόνισης. επίπεδη προβολή διακρίνονται με βάση τη σχέση του κέντρου παρατήρησης (d) και του επιπέδου προβολής (οθόνη). προοπτική προβολή η απόσταση του κέντρου παρατήρησης (d) από το επίπεδο προβολής (οθόνη). είναι πεπερασμένη παράλληλη προβολή η απόσταση μεταξύ τους είναι άπειρη 2D d y y x z 35 / 27 x 3D

36 Μετασχηματισμοί προβολής (ενός ό σημείου φυγής) ) Υποθέσεις: 1. ακίνητο κέντρο παρατήρησης - κινούμενο αντικείμενο 2. κινούμενο ο κέντρο παρατήρησης - ακίνητο αντικείμενο έστω P (Xw, Yw, Zw) φυσικό σύστημα &(Xe,Ye,Ze)το σύστημα παρατήρησης V μετασχηματισμός παρατήρησης ( Xe, Ye, Ze ) = ( Xw, Yw, Zw) * V προοπτικός μετασχηματισμός Xs = (Xe/Ze) * d Ys = (Ye/Ze) * d P ( Xs, Ys) σύστημα οθόνης d 2D P 3D P 36 / 27

37 Φωτορεαλισμός Τα αντικείμενα που περιγράφονται από σκελετοπλέγματα δεν είναι ρεαλιστικά Χρειάζονται παρεμβάσεις, όπως: απαλοιφή κρυμμένων γραμμών και επιφανειών δημιουργία αίσθησης βάθους με χρώματα μικρότερης έντασης (φωτεινότητας) ή θόλωση μακρινών αντικειμένων (σκίαση) 37 / 27

38 Απαλοιφή κρυμμένων γραμμών & επιφανειών Σε ένα σκελετόπλεγμα η απαλοιφή (έλεγχος ορατότητας μιας γραμμής ή επιφάνειας) έχει μεγάλη σημασία για την ρεαλιστική απόδοση του. Αλγόριθμοι χώρου αντικειμένου (υπολογισμοί σε φυσικές συντεταγμένες) Αλγόριθμοι συσκευής (υπολογισμοί σε συντεταγμένες συσκευής pixels ) 1. Υπολογισμός εξωτερικού γινομένου: Ν =V 1 V 2 2. Υπολογισμός διανύσματος παρατήρησης V 3. Υπολογισμός εσωτερικού γινομένου V*N 4. Έλεγχος ορατότητας επιφάνειας (έδρας) 38 / 27

39 Ένα απλό μοντέλο φωτισμού για την ρεαλιστική παράσταση γραφικών χρειάζονται τα εξής: ένα μοντέλο φωτισμού (απλοποιημένη αναπαράσταση των φυσικών νόμων) αλγόριθμος φωτισμού (υλοποίηση του μοντέλου) ένα απλό μοντέλο φωτισμού (Phong) λαμβάνει υπόψη του τον γραμμικό συνδυασμό των παρακάτω τριών συνιστωσών (διαδικασία χρονοβόρα για αντικείμενα με πολλές επιφάνειες): της έντασης I d της δά διάχυτης ανάκλασης της κατοπτρικής ανάκλαση & της έντασης I s της έντασης I α (περιβάλλον φως) του έμμεσου φωτισμού οι αλγόριθμοι φωτισμού είναι: σταθερού φωτισμού Gouraud Phong I s = I περιγράφει: ργρ την γραφική πληροφορία που εισάγεται & εξάγεται και τις υποθέσεις που θα χρησιμοποιήσουμε για να υπολογίσουμε την ένταση (φωτισμό) για κάθε pixel μιας επιφάνειας ενός αντικειμένου a K + I (K a i d (L N) + K s n (R V) ) 39 / 37