Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Χειμερινό εξάμηνο Γραφικά με υπολογιστές Διδάσκων: Φοίβος Μυλωνάς fmylonas@ionio.gr Διαλέξεις #01 & #02 Διαδικαστικά μαθήματος Ιστορία και γενικά χαρακτηριστικά Συσκευές Εισόδου / Εξόδου Διανυσματική(ά) / Πλεγματική(ά) απεικόνιση/γραφικά Εισαγωγικά στοιχεία σωλήνωσης & hardware γραφικών Φοίβος Μυλωνάς Γραφικά με Υπολογιστές
Άδεια χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ιονίου Πανεπιστημίου» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Διαδικαστικά 1/2 Πρόγραμμα: Τρίτη 5-7, Αίθουσα 2 Τετάρτη 1-3, Αίθουσα 1(?) Ώρες γραφείου: Τετάρτη 10-12, «Ανάκτορα» ή «Αρεταίος» Web sites μαθήματος: http://di.ionio.gr/el/undergraduate- studies/undergraduate-modules/semester-5/59- computer-graphics.html https://e-class.ionio.gr/courses/dcs240
Διαδικαστικά 2/2 Τρόπος εξέτασης: Ο τελικός βαθμός κάθε φοιτητή προκύπτει από γραπτή εξέταση στο θεωρητικό κομμάτι του μαθήματος (διαφάνειες, βιβλίο, παραδόσεις και σημειώσεις)
Ύλη/Συγγράμματα Θεοχάρης, Μπεμ Γραφικά, Αρχές και Αλγόριθμοι, 1999, Εκδ. Συμμετρία Κεφάλαια: 1, 2 (2.1-2.4), 3, 4, 5 (5.1-5.3), 6.1, 6.5, 7.1, 7.2, 7.3, 7.3.1, 7.3.2, 7.4, 7.4.1, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 9
Ύλη/Συγγράμματα - Εύδοξος Στυλιάδης Αθανάσιος Γραφικά με ηλεκτρονικό υπολογιστή, 1999, Εκδόσεις Ζήτη κωδικός: 11193 Θεοχάρης, Παπαιωάννου, Πλατής, Πατρικαλάκης Γραφικά και Οπτικοποίηση: Αρχές και Αλγόριθμοι, 2010, Εκδόσεις Συμμετρία κωδικός: 35474
Στόχοι Στόχοι μαθήματος: Κατανόηση βασικών γενικών αρχών γραφικής με υπολογιστές. Εξοικείωση με προχωρημένες έννοιες και αρχές γραφικής με υπολογιστές. Εξοικείωση με 3D γραφικά και σχετικές εφαρμογές.
Ιστορική Αναδρομή 1/5
Ιστορική Αναδρομή 2/5 Ρυθμοί ανάπτυξης CPU και GPU 1
Ιστορική Αναδρομή 3/5 Ρυθμοί ανάπτυξης CPU και GPU 1
Ιστορική αναδρομή 4/5 Sketchpad (1963): Αλληλεπίδραση μέσω γραφικών Διανυσματική οθόνη, light pen. Πλεγματική οθόνη (τέλη 1960 s): εμφάνιση επιφανειών Έναυσμα για αλγόριθμους απόκρυψης & φωτισμού επιφανειών. 1963: O Douglas Englebart εφευρίσκει το ποντίκι. Παράλληλη επεξεργασία ρεαλιστική παράσταση /ειδικά κυκλώματα (z-buffer) (δεκαετίες 80 & 90). 1
Ιστορική αναδρομή 5/5 1981: H IBM αναπτύσσει τον προσωπικό υπολογιστή (PC) 1982: Tron και Star Trek τα πρώτα φιλμ με γραφικά υπολογιστών 1986: Κυκλοφορούν τα Χ-windows. 1986: Κυκλοφορούν τα MS-Windows 2.0 1991: www και jpeg/mpeg 1992: opengl 1995: Toy Story, η πρώτη ταινία εξολοκλήρου υλοποιημένη με γραφικά υπολογιστών 1
Γραφικά Οι περισσότερες εξελίξεις στο χώρο των Γραφικών προέκυψαν από τις ανάγκες Της κινηματογραφικής βιομηχανίας Των στρατιωτικών εφαρμογών Των εφαρμογών ευρείας κατανάλωσης (κυρίως παιχνίδια) 1
Γραφικά 2Δ / 3Δ Γραφικά Η δημιουργία, ο χρωματισμός, η κίνηση, η αλληλεπίδραση και τελικά η απεικόνιση συνθετικών κόσμων και παραστάσεων σε μορφή ψηφιακής εικόνας 1
Γραφικά Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality - VR) είναι η αίσθηση του να βρίσκεσαι «εκεί», μέσα στον ψηφιακό κόσμο που έχεις δημιουργήσει. 1
Γραφικά Επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality - ΑR) είναι η προβολή και αλληλεπίδραση του πραγματικού κόσμου (φυσικό περιβάλλον) με τον εικονικό 1
Εισαγωγικές Έννοιες 1/2 Οι 3Δ ή 2Δ σκηνές αποτελούνται από στοιχειώδη σχήματα (π.χ. σημεία, ευθείες, καμπύλες, πολύγωνα, μαθηματικά στερεά ή συναρτήσεις). Μια ψηφιογραφική εικόνα (raster image) είναι ένας 2Δ πίνακας εικονοστοιχείων (pixels). Τα Γραφικά με Υπολογιστή περιλαμβάνουν αλγόριθμους για τη δημιουργία raster images που μπορεί να αναπαρασταθούν σε μία συσκευή απεικόνισης. 3Δ Σκηνή Γραφικά με Υπολογιστή Εικόνα 1
Εισαγωγικές Έννοιες 2/2 Η οπτικοποίηση εκμεταλλεύεται την οπτική αναπαράσταση μεγάλων συνόλων δεδομένων ώστε να αυξήσει την κατανόησή τους. Αποτέλεσμα οπτικοποίησης αντικείμενο οπτικοποίησης Η μοντελοποίηση περιλαμβάνει τεχνικές για την παράσταση αντικειμένων. Σύνολο Δεδομένων Οπτικοποίηση Μοντέλο Η σωλήνωση γραφικών είναι μια ακολουθία βημάτων που δημιουργεί μια ψηφιακή εικόνα από ένα μοντέλο. Μοντέλο Σωλήνωση Γραφικών Εικόνα 1
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 2
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
Παράδειγμα 3
1 εικόνα 1000 λέξεις Ανθρώπινο οπτικό κανάλι: 30-40 Μbits/s 64-85M λέξεις/min παραδοχές: 4 γράµµατα/λέξη, 7 bits/γράµµα Γραπτό κείμενο: 600-1200 λέξεις/min. Η επικοινωνία ανθρώπου-η/υ µέσω γραφικών είναι 100.000 φορές αποδοτικότερη!!! 3
Περιοχές σχετικές με την Εικόνα Γραφική με Υπολογιστές (Computer Graphics) Τεχνητή όραση (Computer Vision) Επεξεργασία - Ανάλυση Εικόνων (Image Processing - Analysis) Αλληλεπίδραση Ανθρώπου - Υπολογιστή (HCI) 3
Περιοχές εφαρμογών 1/2 Γραφική αλληλεπίδραση με χρήστη (GUI). Σχεδίαση (CAD): π.χ. Αρχιτεκτονική, VLSI design Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS). Προσομοιώσεις (π.χ. πτήσεων). Συνθετικές ταινίες & διαφήμιση - Computer Animation. 4
Περιοχές εφαρμογών 2/2 Επαυξημένη Πραγματικότητα - Augmented Reality Εικονική Πραγματικότητα - Virtual Reality Ιατρικές εφαρμογές (π.χ. voxels για τομογραφία). Οπτικοποίηση δεδομένων. Τέχνη (π.χ. fractals). Παιχνίδια. 4
Γραφικό σύστημα επεξεργασίας Σημερινή Αρχιτεκτονική: Χαρακτηρίζεται: μικρή χωρητικότητα καναλιού εισόδου: ποντίκι, πληκτρ/γιο μεγάλη χωρητικότητα καναλιού εξόδου: οθόνη, εκτυπωτής 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εισόδου) 3Δ Ψηφιοποιητές Χειροκίνητοι, Laser, Stereo, Pattern, χειροκίνητοι ή αυτόματοι 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εισόδου) Ψηφιοποίηση Κίνησης (Motion Capture) Αισθητήρες με/χωρίς καλώδιο, αυτόματος προσδιορισμός κίνησης, Kinect 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εισόδου) Ποντίκι: επικρατέστερη δεικτική συσκευή Σχετική κίνηση. Κουμπιά για ορισμό ενεργειών. Μπίλια (trackball): ανάποδο ποντίκι (φορητοί Η/Υ). Πληκτρολόγιο: εισαγωγή αλφαβητικών δεδομένων Ταμπλέτα: επιστρέφει απόλυτες (Χ,Υ) συντεταγμένες γραφίδας Χρήσιμη για απλή 2Δ ψηφιοποίηση ή για απλές/σταθερές επιλογές (π.χ. menu-driven προγράμματα). 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εισόδου) Μεμβράνη αφής: τοποθέτηση στην οθόνη Επιστρέφει 2Δ συντεταγμένες δάκτυλου. Εύχρηστη αλλά χαμηλής ανάλυσης. Joystick: επιστρέφει κατεύθυνση (Ε,Π,Α,Δ) + ποσό μετακίνησης Ψηφιοποιητής εικόνας (image scanner): εισαγωγή 2Δ ασπρόμαυρων ή έγχρωμων εικόνων. Ψηφιακές Φωτογραφικές Μηχανές/Κάμερες/Smartphones 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Χωρίζονται σε οθόνες και εκτυπωτές. Εκτυπωτές: Διαχωρισμός σε 2Δ και 3Δ. 2Δ: Διαχωρισμός σε διανυσματικούς & πλεγματικούς. Έγχρωμοι με χρήση αφαιρετικού χρωματικού μοντέλου (π.χ.: CMY): Π.χ. θαλασσί μπογιά αφαιρεί την κόκκινη συνιστώσα του προσπίπτοντος λευκού φωτός. Αποτέλεσμα: (R+G+B) - R = G+B = θαλασσί Συχνά CMY+B για οικονομία μελανιού και καλύτερα αποτελέσματα 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Διανυσματικοί Εκτυπωτές Σχεδιογράφος τυμπάνου Επιτραπέζιος Σχεδιογράφος Χρησιμοποιούν πολλαπλές γραφίδες για πάχη γραμμών / χρώμα 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Πλεγματικοί Εκτυπωτές Dot-Matrix: κεφαλή με ακίδες σε 1 ή περισσότερες στήλες Πεταγόμενη ακίδα σχηματίζει κουκίδα (παρεμβάλλεται μελανοταινία). Κεφαλή σαρώνει κατά Χ, χαρτί κατά Υ. Αύξηση ανάλυσης με πολλαπλές σαρώσεις (αργή) ή πολλαπλές στήλες ακίδων, μετατοπισμένες κατά Υ. Χρώμα με έγχρωμες μελανοταινίες. 4
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Πλεγματικοί Εκτυπωτές Laser: τύμπανο επιστρωμένο με σελένιο (Se 34 ): Ξεκινά κάθε στροφή με +ve ηλεκτρικό φορτίο. Οριζόντια σάρωση με laser, ανάβει όπου δε θέλουμε εκτύπωση! Πέρασμα από μελάνι -ve φόρτισης. Επαφή με χαρτί. x 3 για έγχρωμη εκτύπωση 5
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Πλεγματικοί Εκτυπωτές Inkjet: εκτοξεύει CMY μελάνι από 3 jets ταυτόχρονα κατά τη σάρωση Συσκευές εκτύπωσης σε φίλμ (animation κλπ). 5
Τεχνολογία (Συσκευές Εξόδου) Οθόνες: Κλασική τεχνολογία οθόνης CRT: Ανάγκη φρεσκαρίσματος 50-110 Hz από απαίτηση 30 καρέ / sec για animation Έγχρωμες οθόνες: 3 δέσμες (RGB) Προσθετική διαδικασία πάνω στη μαύρη οθόνη 5
Διανυσματική οθόνη Σχεδιασμός (γραμμικών) αντικειμένων με κατάλληλη μετακίνηση δέσμης ηλεκτρονίων. Εντολές της μορφής: point(x,y), line(x1,y1,x2,y2) στο display-file. Ανάγκη φρεσκαρίσματος περιορίζει μέγιστο αριθμό εντολών του display-file: Αδυναμία παράστασης επιφανειών, αλλά οχι ταύτιση (aliasing). 5
Πλεγματική οθόνη 2Δ πλέγμα ανεξάρτητα χρωματιζόμενων pixels. Φρεσκάρισμα σε σταθερά διαστήματα από Μνήμη Οθόνης κατά γραμμές σάρωσης. Δυνατότητα παράστασης οποιασδήποτε εικόνας. Αποδέσμευση φρεσκαρίσματος από δημιουργία εικόνας (τεχνολογία VRAM): 5
Συσκευές εξόδου CRT (Cathode-Ray Tubes) CCRT (Color Cathode-Ray Tubes) Πλεγματικές οθόνες σάρωσης (raster-scan displays) 5
Συσκευές εξόδου Πίνακας Πλάσματος (Plasma Panel) Light-emitting diodes, LED Οθόνες υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Display, LCD) 5
5
Πλεγματική ή διανυσματική απεικόνιση Διανυσματική οθόνη (vector display): μόνο γραμμικά σχέδια! Πλεγματική οθόνη (raster display): τέλη 1960 δυνατότητα εμφάνισης επιφανειών & φωτισμού! 5
Vector vs. Bitmap Όμως Σήμερα? 3D graphics (π.χ. OpenGL) μοιάζουν περισσότερο με vector παρά με raster! 5
Διανυσματική απεικόνιση (vector display) Βασική αρχιτεκτονική μιας διανυσματικής οθόνης 6
Διανυσματική απεικόνιση Σχεδιασμός (γραμμικών) αντικειμένων με κατάλληλη μετακίνηση δέσμης ηλεκτρονίων (CRT). Εντολές της μορφής: point(x,y), line(x 1,y 1,x 2,y 2 ) στο display-file. Η ανάγκη φρεσκαρίσματος περιορίζει το μέγιστο αριθμό εντολών του display-file: resfresh Κεντρικός επεξεργαστής Display file Επεξεργαστής οθόνης Οθόνη -: αδυναμία παράστασης επιφανειών +: όχι φαινόμενο ταύτισης (aliasing), υψηλή ευκρίνεια 6
Πλεγματική απεικόνιση (raster display) Βασική αρχιτεκτονική μιας πλεγματικής οθόνης 6
Πλεγματική απεικόνιση 2Δ πλέγμα ανεξάρτητα χρωματισμένων pixels. Φρεσκάρισμα σε σταθερά διαστήματα από Μνήμη Οθόνης κατά γραμμές σάρωσης. Δυνατότητα παράστασης οποιασδήποτε εικόνας. Αποδέσμευση φρεσκαρίσματος από δημιουργία εικόνας (τεχνολογία VRAM) f(# pixels) Κεντρικός επεξεργαστής Μνήμη οθόνης τιμή pixel Παλέτα χρωμάτων RGB τιμή Επεξεργαστής οθόνης περιγραφή εικόνας 2D πίνακας χρωμάτων των pixels της οθόνης Οθόνη 6
Πλεγματική οθόνη Σάρωση της οθόνης ανά γραμμή και σε συγκεκριμένο χρονικό ρυθμό 6
Πλεγματική οθόνη: αποθήκευση εικόνας στη μνήμη Αποθήκευση της εικόνας στη μνήμη ως πίνακα 3 διαστάσεων (πλάτος x ύψος x χρώμα) Χρήση παλέτας για μείωση απαιτήσεων χρώματος. Κεντρικός επεξεργαστής Μνήμη οθόνης τιμή pixel Παλέτα χρωμάτων RGB τιμή Επεξεργαστής οθόνης Οθόνη 6
Χρήση παλέτας χρωμάτων Αντί η Μνήμη Οθόνης να περιέχει την RGB τιμή κάθε pixel (τουλάχιστον 24 bits), περιέχει 1 δείκτη σε ένα πίνακα χρωμάτων (παλέτα) Η παλέτα μεταφράζει τον δείκτη σε RGB τιμή. 6
Χρήση παλέτας χρωμάτων RGB: 8 bits για κάθε συνιστώσα. εικόνα ανάλυσης 1024x1024 απαιτεί: 1024 x 1024 x 3 = 3Mbytes κάθε pixel της εικόνας μπορεί να λάβει ανεξάρτητα ένα από 2 24 χρώματα! Παλέτα: αντί η Μνήμη Οθόνης να περιέχει την RGB τιμή κάθε pixel (τουλάχιστον 24 bits), περιέχει 1 δείκτη σε ένα πίνακα χρωμάτων (παλέτα) # πιθανών διαφορετικών χρωμάτων περιορίζεται από το μέγεθος της παλέτας. n=4 χρώματα των 24bits: Δείκτης Χρωματική τιμή 00 10010101 11010011 10011001 01 01110001 11100110 10111101 10 01011010 11110000 00001111 11 11000110 01111001 10101011 1024 x 1024 x 0.5byte = 0.5Mbytes 6
Πλεγματική οθόνη (σύνοψη) 2-Δ πλέγμα χρωματιζόμενων εικονοστοιχείων (pixels) Φρεσκάρισμα σε σταθερό ρυθμό από μνήμη Κανένας περιορισμός σε εικόνα Αποδέσμευση φρεσκαρίσματος από άλλες λειτουργίες Μεγάλη(?) απαίτηση μνήμης: 1024 x 1024 x 24 = 3MB Μείωση με χρήση παλέτας (lookup table) Προβλήματα ταύτισης (aliasing) Νέες τεχνολογίες (LCD, plasma, LED, capacitive, Head-Mounted Displays, ) 6
Πλεγματική οθόνη (σύνοψη) Απαιτούνται αλγόριθμοι απεικόνισης ευθείας, καμπύλης, πλήρωσης πολυγώνου σε πλεγματική οθόνη! 6
Στόχος: Σχεδίαση Σχημάτων Αλγόριθμος: να βρίσκει τα pixels που το απαρτίζουν να δίνει κατάλληλα χρώματα Κύριο πρόβλημα: διακριτά pixels! ταύτιση (aliasing) αντι-ταύτιση (anti-aliasing) 7
Ψηφιδωτά vs. διανυσματικά γραφικά Στα ψηφιδωτά (raster) γραφικά γίνεται ψηφιοποίηση ανά κουκίδα (εικονοστοιχείο, pixel) H ανάλυση της εικόνας εξαρτάται αποκλειστικά από το μέγεθος των pixels. Στα διανυσματικά (vector) γραφικά χρησιμοποιούνται σημεία, γραμμές και πολύγωνα στα οποία αποδίδονται περιγραφικά χαρακτηριστικά. 7
Ψηφιδωτά (raster/bitmap) γραφικά Δημιουργούνται από: Την ψηφιοποίηση εικόνων μέσω σαρωτή Τις ψηφιακές φωτογραφικές και εικονοληπτικές μηχανές Την σύλληψη εικόνων από τη οθόνη του υπολογιστή Την ψηφιοποίηση εικόνων βίντεο ή τηλεόρασης μέσω ειδικής κάρτας Τα προγράμματα δημιουργίας και επεξεργασίας χαρτογραφικής εικόνας όπως το Photoshop, το Paint Shop Pro, κλπ Χαρακτηρίζονται από: Την ανάλυση (resolution) (72-100ppi), (100-250ppi), (250-400ppi) Το χρωματικό βάθος (color depth) (1bit->2 τιμές), (8bit->256 τιμές) Τη διάσταση (size) *ppi pixels per inch 7
Ψηφιδωτά (raster/bitmap) γραφικά Μέγεθος αρχείου bitmap εικόνας = (αριθμός pixels) x (βάθος χρώματος) = [(ανάλυση x πλάτος) x (ανάλυση x ύψος)] x (βάθος χρώματος) = [(pixels κατά πλάτος) x (pixels κατά ύψος)] x (βάθος χρώματος) 7
Διανυσματικά (vector) γραφικά Δημιουργούνται από: Την ψηφιοποίηση εικόνων μέσω σαρωτή Λογισμικό όπως το Microsoft Office σαν αντικείμενα σχεδίασης και γραφικές παραστάσεις Τα προγράμματα δημιουργίας και επεξεργασίας διανυσματικής εικόνας όπως το Corel Draw, το Adobe Illustrator, κ.τ.λ. Αποτελούνται από αντικείμενα σχεδίασης (γραμμές, ορθογώνια, ελλείψεις ή τόξα) τα οποία βασίζονται σε ειδικά μαθηματικά μοντέλα. *ppi pixels per inch 7
+ / - ψηφιδωτών γραφικών Πλεονεκτήματα Απλή δομή δεδομένων Συμβατά με δεδομένα τηλεπισκόπησης ή σάρωσης (scanned) Υπεροχή στην χωρική ανάλυση και μοντελοποίηση (ευκολία απεικόνισης πολύπλοκων αντικειμένων) Μειονεκτήματα Μεγάλες απαιτήσεις αποθηκευτικού χώρου (μνήμης) Η ποιότητα της οπτικοποίησης εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος της ψηφίδας Οι μετασχηματισμοί από ένα σύστημα παρατήρησης σε άλλο είναι δύσκολες Είναι δυσκολότερη η ανάπτυξη τοπολογίας 7
+ / - διανυσματικών γραφικών Πλεονεκτήματα Μικρότερες απαιτήσεις αποθηκευτικού χώρου Εύκολη ανάπτυξη τοπολογίας Πολύ υψηλή ανάλυση Η οπτικοποίηση των δεδομένων είναι πλησιέστερη στην πραγματική κατάσταση Μειονεκτήματα Περίπλοκη δομή δεδομένων Μη συμβατή μορφή με τηλεπισκοπικά δεδομένα Ακριβά προγράμματα επεξεργασίας και ακριβός εξοπλισμός Σε μερικές περιπτώσεις η χωρική ανάλυση είναι δυσκολότερη Η χρήση επικαλυπτόμενων διανυσματικών χαρτών είναι δυσκολότερη στην επεξεργασία 7
Ψηφιακή Μοντελοποίηση Αποτελεί το βασικό μέσο εικαστικής δημιουργίας για συνθετικές ταινίες, εικόνες και διαδραστικές εφαρμογές (π.χ. παιχνίδια) Οι τεχνικές και η τεχνοτροπία σχεδίασης και απεικόνισης των 3D δεδομένων διαφέρουν ανάλογα με την εφαρμογή: Κινηματογραφική Βιομηχανία: Φωτορεαλισμός και εντυπωσιακά εφέ, υψηλή ανάλυση γεωμετρικών μοντέλων Διαδραστικές εφαρμογές και παιχνίδια: Υπερβολικές μορφές, ελκυστικές απλές εικόνες και έμφαση στην απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο 7
Ψηφιακή Μοντελοποίηση Για τη μοντελοποίηση στατικών και κινούμενων αντικειμένων που προορίζονται για εικόνα χαμηλής ευκρίνειας, τα βασικά δομικά στοιχεία είναι τα πολυγωνικά μοντέλα και οι παραμετρικές επιφάνειες. Ειδικές τεχνικές δυναμικής διαμόρφωσης των τρισδιάστατων αντικειμένων έχουν επινοηθεί για: Να ελαχιστοποιήσουν τους υπολογισμούς (=χρόνος) σχεδίασης Να μην επηρεάζεται η ποιότητα της απεικονιζόμενης πληροφορίας 7
Αλγόριθμος γραφικής απεικόνισης Κλασικός τρόπος δημιουργίας εικόνας από μοντέλο: σωλήνωση διαδοχικών σταδίων Παράμετροι: παρατήρησης θέσεις αντικειμένων θέσεις φωτεινών πηγών 2D εικόνα 7
Παράσταση σχημάτων ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΟΘΟΝΗ Σάρωση Αντιταύτιση Φωτισμός Υφή 8
Σωλήνωση Γραφικών (graphics pipeline) 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 1/8 Αποθήκευση & κωδικοποίηση Ψηφιακών Εικόνων: Ψηφιακή Εικόνα: σύνολο από εικονοστοιχεία (pixels) Kαταχωρητής: 2Δ πίνακας διαστάσεων w x h (width, height) Μέγεθος καταχωρητή εικόνας: τουλάχιστον (w x h x bpp) / 8 bytes, όπου: Βάθος Χρώματος (bpp) : # bits που χρησιμοποιούνται για αποθήκευση του χρώματος ενός pixel Ο αριθμός αυτός εκφράζεται ως δύναμη του 2 Μονάδα μέτρησης: bpp(bits per pixel) 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 2/8 2 1 = 2: Ασπρόμαυρη εικόνα (χωρίς διαβαθμίσεις γκρίζου) 2 8 = 256 χρώματα (ή αποχρώσεις του γκρίζου) 2 16 = 65536 χρώματα. Εικόνα Highcolor 2 24 = 16.777.216 χρώματα. Εικόνα Truecolor 2 48 = υπέρβαση της διακριτικής ικανότητας του ανθρώπινου οφθαλμού! Χρησιμοποιείται, ωστόσο, για πρακτικούς λόγους, από πολλούς σαρωτές. Οι εικόνες με 256 χρώματα (ή λιγότερα) αποθηκεύονται συνήθως στη μνήμη του υπολογιστή υπό μορφή μιας παλέτας χρωμάτων. Για βάθη μεγαλύτερα από 8 bit, το κάθε pixel αναπαρίσταται από ανάλογες διαβαθμίσεις των τριών χρωμάτων (Red, Green, Blue). 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 3/8 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 4/8 H μνήμη για μια ασυμπίεστη εικόνα υπολογίζεται από: τον αριθμό pixels στην εικόνα, και από το βάθος χρώματος κάθε pixel. Σε μια εικόνα 24-bit, κάθε pixel καταλαμβάνει 24 bits μνήμης, έτσι το μέγεθος της μνήμης που απαιτείται σε bits είναι 24 επί τον αριθμό pixels. Για height = 8 pixels, width = 6 pixels, έχουμε 48 x 24 = 1152 bits ή 144 bytes. Ο λόγος που εκφράζει την αναλογία των διαστάσεων της οθόνης: 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 5/8 Παράσταση χρώματος: Μονοχρωματικό (κλίμακα γκρι) Πολλαπλών- καναλιών (κόκκινο/πράσινο/μπλε) Με πίνακα αναφοράς (παλέτα) χρωμάτων (CLUT) Πραγματικό Χρώμα: ο καταχωρητής εικόνας αποθηκεύει την πλήρη χρωματική ένταση κάθε pixel Χρώμα με πίνακα αναφοράς χρωμάτων (CLUT): Συνάρτηση αντιστοίχησης από δυαδική μορφή σε κωδικοποίηση χρώματος Αποτελείται από: Αριθμό εγγραφών παλέτας (α): ο μέγιστος αριθμός χρωμάτων που μπορούν να εμφανιστούν στην οθόνη ταυτόχρονα. (συνδυασμός από (α) χρώματα σε πλήθος) Πραγματικό Χρώμα Πλάτος εγγραφής παλέτας (π): ο μέγιστος αριθμός των χρωμάτων που μπορεί να κωδικοποιήσει μια παλέτα. 8
Καταχωρητές Εικόνας (image buffers) 6/8 Πίνακας Αναφοράς Χρωμάτων 8
Καταχωρητές Εικόνας 7/8 Χρήση πίνακα αναφοράς χρωμάτων: Ο καταχωρητής εικόνας καταλαμβάνει συνεχή χώρο στην μνήμη 8
Καταχωρητές Εικόνας 8/8 Καταχωρητής Πλαισίου: Μνήμη όπου συλλέγεται η χρωματική πληροφορία κάθε pixel κατά την σχεδίαση, πριν οδηγηθεί στην έξοδο των γραφικών Ύπαρξη 2 καταχωρητών πλαισίου Καταχωρητής Βάθους ή Καταχωρητής Z: Αποθηκεύει τιμές απόστασης Χρησιμοποιείται για Απομάκρυνση Κρυμμένων Επιφανειών Άλλοι καταχωρητές: Καταχωρητής Μάσκας Καταχωρητής Συσσώρευσης 8
Σωλήνωση Γραφικών 1/2 Πράξεις της σωλήνωσης γραφικών κατά την άμεση σχεδίαση εικόνας: 9
Σωλήνωση Γραφικών 2/2 Στο παραπάνω παράδειγμα: (α) Μετασχηματισμός της γεωμετρίας σ ένα κοινό σύστημα συντεταγμένων και περικοπή στο οπτικό πεδίο (β) Τα στοιχειώδη αντικείμενα μετά τον μετασχηματισμό παρατήρησης, την προβολή και την περικοπή πίσω όψεων (γ) Σχεδίαση (δ) Ταξινόμηση κατά βάθος των τεμαχίων όσο πιο σκοτεινή η απόχρωση, τόσο πιο κοντά στην εικονική κάμερα είναι το αντίστοιχο σημείο (ε) Υπολογισμός χρώματος υλικών (στ) Σκίαση και άλλες πράξεις (π.χ. ομίχλη) 9
Κείμενο Βήματα rasterization για 2Δ κείμενο 9
Hardware Γραφικών 1/3 Hardware Δημιουργίας Εικόνας: Προσαρμογείς οθόνης Διπλός καταχωρητής πλαισίου 2 καταχωρητές πλαισίου, ανταλλαγή καταχωρητών Επιταχυντές 2Δ γραφικών: Εφαρμογή 2Δ αλγορίθμων σχεδίασης Μερική απελευθέρωση της CPU Επιταχυντές 3Δ γραφικών: Υιοθέτηση αλγορίθμου Z-buffer Ολική απελευθέρωση της CPU Παραλληλοποίηση Προγραμματιζόμενο υλικό γραφικών Φωτοσκιαστές κορυφών, γεωμετρίας και τεμαχίων 9
Hardware Γραφικών 2/3 Οθόνες: Καθοδικού Σωλήνα (CRT) Υγρών κρυστάλλων (LCD) Διόδων (LED) Plasma Capacitive HMD 9
Hardware Γραφικών 3/3 Συστήματα Προβολής: 2 μέθοδοι προβολής (οπίσθια, εμπρόσθια) 3 τεχνολογίες προβολής (CRT, LCD, DLP) Γραφικά Εκτυπωτών: Η πλεγματική εικόνα μετατρέπεται σε σημεία Διαφοροποίηση της έντασης επιτυγχάνεται με αυτοτυπία Τεχνολογίες εκτυπωτών: Εκτυπωτές ψεκασμού (inkjet) Εκτυπωτές laser Εκτυπωτές phaser 9
Επόμενα Θέματα Σχεδίαση 2Δ Αλγόριθμοι σχεδίασης ευθυγράμμου τμήματος Αλγόριθμοι σχεδίασης κύκλου Αλγόριθμος ελέγχου εσωτερικού σημείου Αλγόριθμοι χρωματισμού πολυγώνων Αλγόριθμος ταύτισης Μετασχηματισμοί 2Δ/3Δ Προβολές και μετασχηματισμοί παρατήρησης 9
Ερωτήσεις - Απορίες 9