Áttekintés a számítógépi * grafika világáról

1. Áttekintés a számítógépi*grafika világáról dr. György Antal gyantal@gmail.com http://people.inf.elte.hu/agy/

2. Tartalom • Mit értünk CG-n? • Alkalmazások • Modellezés • Animáció • Képszintézis (rendering) • Utómunka: pixel szintű effektek • Fény, matematikai/fizikai modell • Illuminációs egyenlet

3. Számítógépes grafika Mire gondolunk? • Szoftverek, amelyekkel képeket készítünk • Eszközök, amelyekkel a képekkel kapcsolatba kerülünk (megtekintjük, használjuk) • A hardver, ami ezeket a képeket egyre gyorsabban kirajzolja • A megjelenítő eszköz, amelyek egyre nagyobbak, színesebbek • Az algoritmusok, amelyek egy fizikai jelenséget szimulálnak • Eszközök complex matematika adatok megjelenítésére • Szoftverek, amelyekkel 3D modelleket készítünk, mozgatunk • API-k, amelyekkel modelleket jelenítünk meg • Stb.

4. Számítógépes grafika Mit is jelent? • Megjelenítő eszközök • 1. Felhasználói felület tervezés • Ergonómia • 2. Térinformatika • 3. Számítógépes látás (computer vision) • képanalízis – képfeldolgozás – image processing • 4. Számítógépes grafika • 2D • 3D: képszintézis egy virtuális színtér alapján • tudományos vizualizáció

5. Megjelenítő hardver • Vektoros megjelenítők • 1963 – módosított oszcilloszkóp • 1974 – Evans and Sutherland Picture System • Raszteres megjelenítők • 1975 – Evans and Sutherland frame buffer • 1980s – olcsó frame bufferekbit-mapesCRT PC képernyők(CGA,EGA) • 1990s – liquid-crystal displays  LCD, laptops • 2000s – micro-mirror projectors  digital cinema, DLP: Digital Light Processing • Továbbá: • Stereo, head-mounted display • Shutter glasses • Autostereoscopic displays • Tactile, haptic, sound • Nyomtató

6. 1. Elektronikus könyv olvasó

7. Nagyobb szoftver rendszer

8. User interface tervezés alapelvei

9. Ivan Sutherland (1963) - SKETCHPAD • pop-up menük • kényszer alapú rajzolás (constraint-based drawing) • hierarchia

10. 2. Térinformatika • Geographical Information System - GIS • - földrajzi adatok elemzésére kidolgozott speciális információs rendszer • lépések sora vezet a méréstől, adatgyüjtéstől az elemzésekig • gyakori cél a földhasználat, szállítás, kereskedelem irányításával kapcsolatos döntéshozás,

11. 3. Képfeldolgozás Eredeti kép Felismert objektumok

12. Képfeldolgozás

13. 4. Computer Graphics (Interaktív)

14. 4.1. Rajzolás és festés

15. 4.2. A 3D képszintézis feladata • Egy virtuális világban egy virtuális kamera segítségével valósághű kép előállítása.

16. Tudományos vizualizáció

17. Tudományos vizualizáció • célja: tudományos feladatok, problémák, számítások megjelenítése és szimulációja A Föld mágneses erővonalainak megjelenítése Az 1995-ös oaklahomai vihartevékenység szimulációja

18. Fizikai szimulációk • Modellezük a természetet a fizika törvényeit követve • Általában, az egyetlen módja a valószerűség elérésének • Alternatív: nem-tudományos alapú sötét-mágia bevetése a valósághű effektek elérésére • A matematika nagyon gyorsan nagyon elbonyolódik Isn’t it incredible that nature can compute everything (you, me, and the whole universe) on the fly, it is the fastest computer ever. • Fontos problémák: szimuláció pontossága és stabilitása

19. Szimuláció vagy valós?

20. Szórakoztatás, Film

21. Oktatás, szemléltetés

22. Gömb kifordítás probléma

23. DigitálisMűvészet

24. Játékok

25. Játékok Call of Duty: Modern Warfare 2

26. A grafikus szerelőszalag (pipeline) modellezés animáció rendering

27. Modellezés • poligonok • CSG, constructive solid geometry • parametrikusfelületek, NURBS • implicit felületek • felosztott felületek, subdivision surfaces • részecskerendszerek, particle systems • térfogati modellek, volumes

28. Animáció • Szkriptelt • Kulcskocka alapú (key-frame interpolation) • FK, IK, forward-inverse kinematics • Dynamics

29. Animációs módszer: keyframing • adott kulcskockákban (keyframe) meghatározzuk a színtér adatait (pozíció, geometria, szín stb.), • a többi képkockára pedig ezekből interpolálunk A kamera mozgáspályája és kulcskockái (modellező program: ArchiCAD)

30. Animációs módszer: motion capture • keyframinggel nagyon nehéz bonyolult, valós mozgásokat előállítani • ezért gyakran felveszik valódi emberek, élőlények, tárgyak mozgását és ezeket a virtuális világ mozgó objektumaira használják • általában apró „pöttyöket”, golyókat tesznek a valódi objektumra, amelyek mozgását kamerával követik

31. A hagyományos pipeline Az új pipeline? A grafikus szerelőszalag (pipeline) modellezés animáció rendering 3Dscannelés motioncapture image-based rendering

32. Modellezési primitívek: poligonok • legelterjedtebb módszer (pl. játékok, API-k stb.) • általában háromszögekkel dolgozunk • egyszerű velük modellezni • poligonokkal adott testet meshnek hívjuk • sima, szép felületek testek kialakítása csak rengeteg háromszöggel oldható meg • részletgazdagságot textúrákkal növelik

33. Modellezési primitívek: poligonok Half Life (1999) Half Life 2 (2004)

34. Modellezési primitívek: felületek • természetükből adódóan simák és görbültek • alakjuk kontroll pontokkal vagy kontroll görbékkel vezérelhető • bonyolult testeket nagyon nehéz velük modellezni, de komolyabb projektnél (pl. filmek) inkább ezeket alkalmazzák • jellemző felülettípusok: Beziér-patch, NURBS • részletesebben: Vida János – Geometria modellezés

35. Modellezési primitívek: felületek NURBS felületekkel adott fej (modellező program: Maya)

36. Modellezési primitívek: pontok • részecske rendszerek • rengeteg részecskét igényelnek • általában procedurálisan irányítják őket • ÚJ TREND: • 3D-s scannerek ponthalmazt adnak • ebből sok lépéssel generálható mesh vagy NURBS felület • használjuk inkább egyből a ponthalmazt!

37. Modellezési primitívek: pontok Ponthalmazból renderelt helikopter Procedurális füst

38. Textúrák • Hatékonyan növelik a felület részletezettségét • Multi-színezés (több szín egy felületen) (pl. –üveg címke), bumpy, tükröződés is lehetséges

39. Fotorealisztikus rendering • célja: a virtuális világról olyan képet kapni, mintha egy valóban létező színtérről készítettünk volna fényképet

40. Fotorealisztikus rendering Találjuk ki: melyik a valós, melyik a szintetikus? szintetizált fényképezett

41. Alkalmazás

42. Nem-fotorealisztikus rendering • Céljai: • stílirizált ábra kiemeli a lényeges részeket • művészi hatások elérése • Kezdetben a „firkálások” valószerű megjelenítésére törekedtek (pen-and-ink) • Azóta már külön területté nőtte ki magát: • különböző ecsetek és festőanyagok kezelése: pl. víz- és olajfestékkel való festés

43. Nem-fotorealisztikus rendering

44. Volume rendering • Célja: az orvosi diagnózis, kutatási feladatok segítése • Legfőbb probléma a rengeteg poligon valósidejű mozgatása, forgatása

45. Izgalmas alkalmazási területek • Karakter animáció: • csontozat modellezése • bőr generálása • izmok mozgatása • Ruha animáció: • ruha modellezése • fizikai alapú részecske szimuláció • a feladat nehézsége: bonyolult az ütközésvizsgálat • Haj, szőr stb. szimulációja • haj, szőr stb. modellezése is nehéz • igen nehéz feladat: valószerű szimuláció

46. Pixel szintű effektek • A valószerűnek szánt képek még nem eléggé valószerűek, ezért a „tökéletes” képeket lerontjuk tipikus fényképezési hibákkal (pl. lencse csillanás, depth of field, motion blur) • Az effektek nemcsak valóságosabbá teszik a kész képet, de általuk „művészibbé” is válik • Jellemzően post-processz kompoziciós lépés, így nem kell a teljes renderinget újraindítani indítani ha egy effekt hatása nem tetszik...

47. Pixel szintű effektek Depth of field Lencse csillanás

48. A képszintézis feladata (ismét) • Egy virtuális világban egy virtuális kamera segítségével valósághű kép előállítása.

49. A képszintézis feladata • A valós világéval megegyező hatású képi inger előállításához ki kell számolni, hogy: • a monitor pixeleinek megfelelő térszögből milyen spektrális eloszlás és • spektrumonként mekkora fényintenzitás (radiancia) érkezik a szemébe • Tehát azonosítani kell: • a pixelben látható felületi pontokat és (geometria feladat, sugárkövetés) • azok szem irányú radianciáját (integrálegyenlet megoldása) • A sugársűrűséget egy pontban, egy adott hullámhosszon az árnyalási egyenlet megoldásával lehet meghatározni.

50. Az árnyalási egyenlet • Egy felület adott pontjában a radiancia (fényintenzitás) a következőkből áll: • a saját emisszióból és • a többi felület sugárzásának visszaverődéséből • Az árnyalási egyenlet ezt írja le (hullámhosszonként!!!): L (x, w)=Le (x, w)+ L (h (x, -w’), w’) fr (’, x, ) cos’dw’