Kapitel 0

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Kapitel 0

§0 Historie, Überblick, Grafik-Software
0.1 Historie
Grundlagen-Ära der Computergrafik:
-
Start Anfang siebziger Jahre, bis Mitte achtziger Jahre
-
basierend auf technologischer Entwicklung der
Rastergrafik-Hardware
-
erster Siegeszug der Computergrafik in der
wissenschaftlichen und der high-end Anwendungsdomäne
-
Entwicklung von Algorithmen und Datenstrukturen für
fotorealistische Bildsynthese und Modellierung von Objekten
-
Grundlagen heute benutzter Verfahren (z. B. Ray-Tracing)
und Anwendungen (z. B. CAD-Systeme) aus dieser Zeit
Computergrafik - SS 2004
§0-1
0.1 Historie
Grundlagen-Ära der Computergrafik: (cont.)
-
nach Basisfundierung ab den späten achtziger Jahren
Entwicklung weiterführender Techniken und Anwendungen
-
Notwendigkeit der Verwendung leistungsfähiger aber sehr
teuerer Grafikrechner
§0-2
0.1 Historie
Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik:
-
Start Ende der neunziger Jahre
basierend auf technologischer (und preislicher) Entwicklung
der PC-Hardware und Hochleistungs-3D-Grafikhardware
zweiter Siegeszug der Computergrafik in der
Anwendungs- und Anwenderdomäne
Algorithmen und Verfahren aus der Grundlagen-Ära
erfahren effiziente Hardware-Unterstützung bzw. Umsetzung
low-level Software-Zugang:
moderne Software-Schichten kapseln in Form von APIs,
wie z. B. OpenGL, Direct3D oder Java3D, zunehmend höhere
Funktionalitäten => Zugang eines breiten Kreises von
Anwendungsprogrammierern zu Computergrafikroutinen
§0-3
0.1 Historie
Anwendungs- und Anwender-Ära der Computergrafik: (cont.)
-
-
high-level Software-Zugang:
moderne Werkzeuge, wie z. B. 3D Studio Max oder Maya,
ermöglichen den komfortablen Umgang mit
Computergrafiktechniken für eine breite Anwenderschicht
im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Entwicklung stehen
die Anwendungen der Computergrafiktechniken,
insbesondere in speziellen Teilbereichen, wie z. B.
Visualization, Scientific Visualization, Information Visualization
Computer-Animation
Virtual Reality, Virtual Environments, Augmented Reality,
Tele-Immersion
§0-4
0.2 Überblick
Der aktuelle Stand: Wo wird Computergrafik-Geschichte
geschrieben?
Es existieren zwei (konkurrierende) weltweit führende und jährlich
stattfindende Computergrafiktagungen:
ACM SIGGRAPH
Special Interest Group for Computer Graphics and Interactive
Technologies
IEEE VISUALIZATION
§0-5
0.2 Überblick
Der aktuelle Stand: Was macht die Computergrafik
heute eigentlich aus?
Zur Zeit versucht die ACM SIGGRAPH im Taxonomy Project eine
umfassende Taxonomie der Computergrafik aufzustellen. Hier der
aktuelle Stand des Projektes:
1. Grundlagen und Einführung
(a) Das Pipeline-Modell der Computergrafik
(b) Die virtuelle Kamera, Projektionen
(c) Transformationen, Koordinatensysteme und Szenengraphen
(d) Framebuffer
2. Geometrisches Modellieren
(a) Grafik-Primitive (Punkt, Linie, Polygonzug, Dreieck, Polygon)
(b) Polyeder und Quadriken
(c) Rotationskörper
§0-6
0.2 Überblick
Der aktuelle Stand: (cont.)
(d) Polygonale Netze, Dreiecks-Netze (Datenstrukturen und Algorithmen)
(e) Freiformgeometrie (Bézier, B-Splines und NURBS-Geometrie)
(f) Subdivision-Geometrie
(g) Implizites Modellieren
(h) Solid Modeling (CSG, Raumteilungsmethoden)
(i) Prozedurales Modellieren (Fraktale, L-Systeme, Partikelmodelle)
3. Die Bildberechnung - Rendering
(a) Lokale Beleuchtungsmodelle
(b) Globale Beleuchtungsmodelle
(c) Interpolative Schattierungsalgorithmen
(d) Globale und foto-realistische Methoden: Ray-Tracing und Radiosity
i. Schattenwurf, Reflektionen
ii. Grundlagen des Ray-Tracings
iii. Fortgeschrittene Ray-Tracing Algorithmen, Implementierung
iv. Radiosity
v. Radiosity-Ray-Tracing
§0-7
0.2 Überblick
(e) Texturen
i. Texture Mapping
ii. Zwischenabbildungen
iii. Anti-Aliasing und Filter
iv. Bump Mapping
v. Environment Mapping
vi. Shadow Mapping
vii. Mip-Mapping
viii. 3D Texturen
(f) Alternative Methoden
i. Nicht-foto-realistische Darstellung
ii. Volumengrafik
iii. Image-Based-Rendering
4. Display-Algorithmen
(a) Scanline-Algorithmus
(b) Double Buffering
§0-8
0.2 Überblick
(c) Sichtbarkeit
i. Verdeckte Kanten und Flächen
ii. Tiefenpuffer
iii. Ray-Tracing
(d) Clipping
(e) Culling
(f) A-Buffer, Stencil-Buffer & Co.
5. Grafik-Hardware
(a) Eingabegeräte (Maus, Stift, 3D Scanner, haptische Eingabe)
(b) Ausgabegeräte (Farbsysteme, Rasterbildschirm, LCD-Technik,
Head-Mounted-Display, CNC, STL-Ausgabe)
(c) Grafikkarten
6. Grafik-Software
(a) Software-Architekturen
(b) VRML
§0-9
0.2 Überblick
(c) Quicktime VR
(d) RenderMan und BMRT
(e) Application Programming Interfaces
i. OpenGL
ii. Direct3D
iii. Java3D
7. Visualisierung
(a) Das Pipeline-Modell der Visualisierung
(b) Grundlegende Algorithmen und Datenstrukturen der Visualisierung
(c) Wissenschaftliches Visualisieren
(d) Informationsvisualisierung
(e) Volumenvisualisierung in der Medizin
(f) Visualisierung in der Strömungsdynamik
(g) Visualisierung in der Bio-Informatik
§0-10
0.2 Überblick
8. Computer-Animation
(a) Grundbegriff der Animation
(b) Keyframing
(c) Kinematik und Kinetik in der Computeranimation
(d) Character Animation
(e) Prozedurale Animation
9. Virtuelle Welten
(a) Virtual Reality (Hardware, Software, Architekturen)
(b) Computergames
(c) Realtime-Grafik
Wir geben im Folgenden einen kurzen Überblick über gängige
Grafik-Software (Werkzeuge, Sprachen und Standards) und
werden später exemplarisch näher auf die OpenGL-API eingehen.
§0-11
0.3 High-level Anwender-Werkzeuge
Softimage|3D
Modellierung, Animation, Rendering und Produktion im
professionellen Bereich, benutzt MentalRay als Ray-Tracer.
Hersteller: Avid Technology Inc.
Homepage: www.softimage.com
Einsatz in Filmen: The Lost World: Jurassic Park, The Matrix,
Star Wars: The Phantom Menace, Godzilla,
Gladiator
Einsatz in Games
Plattform: SGI, Windows
Preis: sehr hoch
§0-12
3D Studio Max
professionellen Bereich
Hersteller: Autodesk (www.autodesk.com)
Homepage: www.discreet.com/products/3dsmax/
Einsatz in Filmen: Driven, Dungeons & Dragons, The Lost World:
Jurassic Park
Einsatz in Games: Tomb Raider 2, Myst, Age of Empires II,
SimCity 3000
Plattform: Windows
Preis: hoch
§0-13
3D Studio Max (cont.)
§0-14
Maya
professionellen Bereich
Hersteller: Alias|Wavefront, division of Silicon Graphics Lt.
(www.aliaswavefront.com)
Homepage: www.aliaswavefront.com/WhatWeDo/maya/
Einsatz in Filmen: Lord of the Rings Trilogy, Enemy at the Gates
Einsatz in Games: Gran Turismo 3, Madden NFL 2001
Plattform: Windows
Preis: sehr hoch
§0-15
Maya (cont.)
§0-16
Rhinoceros 3D, Rhino
CAD-Anwendung, Modellierung mit Freiformkurven und -flächen
Hersteller: Robert McNeel & Associates
(www.mcneel.com)
Homepage: www.rhino3d.com
Einsatz bei:Airbus Industries, BMW AG, Daimler Chrysler, Ford,
Honda, Hyundai, LEGO, Microsoft, Miele, Nike,
Nintendo, Nokia, Toyota, US Army Research,
US Air Force, Walt Disney, Yamaha
Plattform: Windows
Preis: niedrig bis mittel
§0-17
Rhinoceros 3D, Rhino (cont.)
§0-18
Lightscape
Professioneller Radiosity-Renderer
Hersteller: Autodesk
Homepage: www.lightscape.com
Preis: mittel bis hoch
§0-19
0.4 Low-level Anwender-Werkzeuge
POVRAY (Persistence of Vision Ray-Tracer)
Raytracer mit Radiosity-Erweiterung
Homepage: www.povray.org
Plattform: Windows, DOS, Macintosh, Linux, SunOS
Preis: freeware, source code!
BMRT (Blue Moon Rendering Tools), RenderMan, Entropy
Kommerziell eingesetzter Renderer
Homepage: www.bmrt.org
Einsatz bei: ILM, Pixar (A Bug's Life, The Cell, Hollow Man)
Preis: BMRT (zero for non-profit use); aber: das war einmal…
§0-20
0.4 Low-level Anwender-Werkzeuge
VTK – The Visualization Toolkit
Objektorientierte Visualisierungsbibliothek (C++ Klassen, TCL
Skript-Sprache, Java bindings) mit Standard- und fortgeschrittenen
Algorithmen (z. B. contouring, surface smoothing, triangulation)
für alle Arten der 3D-Datenvisualisierung.
Hersteller: Kitware Inc. (www.kitware.com)
Homepage: www.kitware.com/vtk/
Preis: zero for non-profit use
§0-21
0.5 Werkzeuge für Anwendungsprogrammierer
Es existieren unübersehbar viele Grafikschnittstellen (3D-APIs),
-sprachen und –standards auf unterschiedlichen
Abstraktionsniveaus für viele verschiedene Einsatzgebiete.
Folgende gelten als etabliert:
OpenGL (basiert auf IRIS GL)
Open Inventor
VRML (3D-Beschreibungssprache, kein API!)
Open Performer (ehemals IRIS Performer)
OpenGL Optimizer
OpenGL Volumizer
Java3D
DirectX, Direct3D
§0-22
Überblick:
Application
Java3D
Inventor
Performer
Optimizer
Java3D
Volumizer
Direct3D,
DirectX
OpenGL
Quickdraw3D
(Mac)
Operating System
§0-23
Begriffe:
Immediate Mode:
- direkter Modus, alle Aktionen werden direkt ausgeführt
- low-level, d.h. keine bis schwache Abstraktion
- fast kein Raum mehr für Optimierung
- Primitive: Punkte, Linien, Dreiecke, ...
Retained Mode:
- indirekter Modus, zuerst wird ein „Szenengraph“ konstruiert
- Elemente die sich ändern werden spezifiziert
- abstrakterer Level
- höherwertige Primitive: Kugeln, Quader, Prismen, ...
Bemerkung: Vorsicht, Bezeichnungen werden
unterschiedlich verwendet!
§0-24
OpenGL
- Open Graphics Library, entwickelt 1992, aktuelle Version 1.2
- Quasi-Industriestandard, gut dokumentiert, stabil, skalierbar,
ständige Weiterentwicklung
- prozedurales low-level API für 2D und 3D Grafik
- Oberflächen- und Betriebssystemunabhängig
- mehr als 150 Funktionen für
Rendering,
Texturen,
Modellierung,
Transformationen,
...
§0-25
OpenGL (cont.)
- nutzbar mit C, C++, Fortran, Ada, Java unter Windows,
X-Windows und Mac-OS
- Einsatzbereiche:
3D Animation, CAD, Virtuelle Welten, Simulationen,...
- Referenzimplementierung von SGI unter oss.sgi.com
§0-26
Open Inventor
- objektorientiertes Toolkit für interaktive 3D-Grafikanwendungen
- entwickelt von SGI, 1992
- basiert auf OpenGL
- definiert Modelle mittels eines Szenengraphen
mit Primitiven wie Würfel, Polygone, NURBS, ...
- stellt Fensterverwaltung zur Verfügung (nur X-Windows)
- definiert ein Dateiformat für den Datenaustausch
- event-basierte Modellierung für 3D Interaktion,
Mechanismen für animierte Objekte (engines) und Picking
- plattformunabhängig, Unterstützung von Crossplattformentwicklung
§0-27
Open Inventor (cont.)
Beispiel: Szenengraph
§0-28
VRML
- Virtual Reality Modeling Language
- Entwicklung:
1992 Inventor (Open Inventor)
1994 VRML Idee (Erweiterung von HTML)
1995 VRML 1.0 Standard (Submenge von Open Inventor)
1996 VRML 2.0 Entwurf (nicht kompatibel zu VRML 1.0)
(erweiterte Objekte, neue Syntax, Prototyping)
1997 VRML97 Standard, ISO/IEC 14772-1997
- als reine Beschreibungssprache (keine API) für komplexe
und interaktive 3D-Welten entwickelt
§0-29
VRML (cont.)
- Ziel: 3D fürs Internet
- Viele Objekte, die in 3D-Applikationen verwendet werden,
wurden in den Standard übernommen:
- hierarchische Transformationen,
- Lichtquellen,
- Sichtdefinitionen,
- Geometrie,
- Animation,
- Nebel,
- Materialeigenschaften, Texturen,
- ...
§0-30
VRML (cont.)
- Programmierzugriff mittels JavaScript/VRMLScript
oder mittels Java über das EAI (External Authoring Interface)
- Es werden Autorenwerkzeuge und Viewer benötigt,
damit die Welten lebendig werden.
- Viewer: Blaxxun, CosmoPlayer (www.cosmosoftware.com), ...
- Java3D bietet Leseroutinen für VRML 2.0
- Nachfolger ist die Beschreibungssprache X3D,
welche auf XML basiert
- Der VRML-Szenengraph ist Grundlage für die
Szenenbeschreibung im aktuellen MPEG-Standard.
§0-31
VRML (cont.)
Beispiel: Szenengraph
§0-32
Open Performer
Motivation:
Typische VR-Anwendungen verlangen die Einhaltung einer
bestimmten Reaktionszeit (<1s, typ. 100ms) und einer minimalen
Bildwiederholrate (typ. 15fps). Dies stellt Voraussetzungen an die
Durchlaufzeiten durch die Rendering-Pipelines. Beispiele:
-
HMD (Head Mounted Display), Datenhelm (ein Display pro Auge),
CAVE (Computer Aided Virtual Environment)
Raum, auf dessen Wände die generierten Bilder
projiziert werden
Oft wird eine hohe Bildrate durch die Verwendung von mehreren
Rendering-Pipelines erkauft. Dann ist die Berechnung des aktuell
sichtbaren Bildes aber schon einige Bilder vorher gestartet worden.
§0-33
Open Performer (cont.)
- API, die auf OpenGL aufsetzt und weitere Funktionalitäten
zur Verfügung stellt
- ursprüngliches Ziel: maximale Grafik Performance
für die SGI Produktlinie
- optimiert für den Einsatz in Virtual Reality (VR) Umgebungen,
echtzeitfähig, multithreaded, interaktiv
- Einsatzbereiche: Visuelle Simulation, Virtual Reality,
CAD-Systeme, Spielentwicklung
- Mechanismen für transparentes Multiprozessing und effiziente
Nutzung von mehreren/parallelen Prozessoren, Videokanälen
und Grafikpipelines ohne Codeänderungen.
§0-34
Open Performer (cont.)
- feste Framerate einstellbar für immersive Applikationen
- eigene Datenstruktur für schnelles Laden
- Behandlung von großen Texturen mit bis zu 8*106 x 8*106 Texels
- Verfügbarkeit: SGI Rechner, Linux (!)
§0-35
OpenGL Optimizer
- Visualisierungsbibliothek für sehr große Modelle
- vorwiegend für den Konstruktionsbereich gedacht
(digital prototyping)
- nutzt Cosmo3D Szenengraph (Szenengraph für VRML,
entwickelt für CosmoPlayer)
- bietet volle Kontrolle über:
Topologie (z. B. boundary representation),
Netzvereinfachung (mesh simplification),
Tesselierung
§0-36
OpenGL Optimizer (cont.)
Architektur:
§0-37
OpenGL Volumizer
- high-level API für Volumendarstellung
- Programmiersprache ist C++
- Rechnerplattformen SGI O2, Octane, Onyx2
- Darstellung und Manipulation von großen Volumendatensätzen
für Medizin-, Energie- und Wissenschaftsmarkt
- high- und low-level Funktionalitäten sind nutzbar
- kompatibel mit Open Inventor und Open Performer:
Mischen von Objekten möglich,
Volumenverformung,
Definition von ROI (Region Of Interest) mit Hilfe von Shapes
- Datenmengen im Rahmen von mehreren 100 GB
§0-38
Java3D
Mit Suns großem Erfolg der Java-Programmiersprache wurde nach
kurzer Zeit auch der Ruf nach einer API für 3D laut.
Zusammen mit Intel, SGI, Apple (damals noch ohne MS)
entwickelte Sun eine Grafikbibliothek, welche die Anforderungen
an eine moderne Java-3D-API erfüllen sollte.
- Plattformen (heute): AIX, HP-UX, Linux, SGI (IRIX), Solaris,
Windows
- Anwendungsgebiete: Simulationen,
Spiele,
CAD,
Scientific Visualization,
VR Systeme
§0-39
Java3D (cont.)
- Java3D definiert kein eigenes externes Dateiformat (es ist aber
eine Serialisierung der Java-Objekte möglich)
- run-time Lademechanismen
- besondere Features:
immediate mode,
retained mode,
compiled retained mode,
double-buffering,
z-buffer rendering model
- unterstützt high-end Rendering Umgebungen (CAVE, HMD, ...)
- unterstützt 3D-Eingabegeräte
§0-40
Direct3D
- 3D-API, beschränkt auf Windows-basierte Computer
- Teil von DirectX, das alle Multimedia-Belange abdecken soll
- Gedacht für Spiele, Multimedia-Anwendungen und
interaktive 3D-Grafik
- Features:
umschaltbare Tiefenbuffer,
Flat- und Gouraudschattierung,
mehrere Lichtquellen und –typen,
Material- und Texturunterstützung,
Transformation und Clipping,
robuste Emulationstreiber überbrücken fehlende
Hardwarefunktionalität
§0-41
Direct3D (cont.)
Architektur:
D
I Retained Mode
R
(RM)
E
C
T Immediate Mode
3
(IM)
D
Component
Hardware Emulation Layer
(software drivers that act like hardware)
Hardware Abstraction Layer
(software drivers that communicate
between SW and HW)
(HEL)
DirectX Media Layer
DirectShow
DirectAnimation
DirectX Foundation Layer
DirectDraw
Direct3D
Direct3DX
DirectInput
DirectSound
DirectSound3D
DirectPlay
DirectMusic
HAL
Graphics hardware
§0-42
0.6 Literatur und mehr...
Allgemeine Literatur zur Veranstaltung:
[WAT00]
Watt A.: 3D Computer Graphics, Addison-Wesley,
third edition, 2000.
[WAT02]
Watt A.: 3D-Computergrafik, Addison-Wesley,
Übersetzung der dritten Auflage, 2002.
[WAT92]
Watt A., Watt M.: Advanced Animation and Rendering
Techniques, Addison-Wesley, 1992.
[ANG97]
Angel E.: Interactive Computer Graphics – A top-down
approach with OpenGL, Addison-Wesley, 1992.
[WOL00]
Wolfe R.: 3D Graphics – A Visual Approach,
Oxford University Press, 2000.
[FOL97]
Foley J., van Dam A., Feiner S., Hughes J.: Computer
Graphics – Principles and Practice, Addison-Wesley,
second edition, 1997.
§0-43
Web-Ressourcen:
-
ACM
http://www.siggraph.org/
-
IEEE Technical Committee on Visualization and Graphics
http://www.computer.org/tab/tclist/tcvg.htm
-
EG European Association for Computer Graphics
http://www.eg.org/
-
Gesellschaft für Informatik, Fachausschuss 4.1
Graphische Datenverarbeitung
http://www.informatik.uni-leipzig.de/gifa41/
§0-44
Lesenswert:
[BLI96]
Blinn J.: Jim Blinn‘s Corner - A trip down the graphics
pipeline, Morgan Kaufmann, 1996
[DOD97] Dodsworth: Digital Illusion - Entertaining the Future
with High Technology, Addison-Wesley, 1997.
[TUF97] Tufte: Visual Explanations - Images and Quantities,
Evidence and Narrative, Graphics Press, 1997.
[BLI98]
Blinn J.: Jim Blinn's Corner - Dirty Pixels,
Morgan Kaufmann, 1998.
§0-45
Hierauf bauen große Teile der Vorlesung auf:
§0-46

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