3 Μαρτίου 2003

1. Ψηφιακές Τεχνολογίες Συνθετικής Εικόνας Δρ. Γεώργιος Παπαϊωάννου Τμήμα Εικονικής Πραγματικότητας Ίδρυμα Μείζονος Ελληνισμού Εργαστήριο Τρισδιάστατων Γραφικών Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Πανεπιστημίου Αθηνών 3 Μαρτίου 2003

2. Εισαγωγή Τεχνολογικές Περιοχές • 2Δ / 3Δ Γραφικά … Η δημιουργία, ο χρωματισμός, η κίνηση, η αλληλεπίδραση και τελικά η απεικόνιση συνθετικών κόσμων και παραστάσεων σε μορφή ψηφιακής εικόνας

3. Εισαγωγή Κατηγορίες Τεχνολογιών • Εισαγωγή Δεδομένων • Εικόνα, συντεταγμένες, κίνηση • Μοντελοποίηση • Δημιουργία ενός συνθετικού κόσμου • Κίνηση • Απεικόνιση • Γραφικά πραγματικού χρόνου • Φωτορεαλισμός • Αλληλεπίδραση • Εικονική Πραγματικότητα

4. Εισαγωγή Η Συνεισφορά των Δημιουργών • Οι περισσότερες εξελίξεις στο χώρο των Γραφικών προέκυψαν από τις ανάγκες • Της κινηματογραφικής βιομηχανίας • Των στρατιωτικών εφαρμογών • Των εφαρμογών ευρείας κατανάλωσης (κυρίως παιχνίδια) • Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, η τεχνολογία αναπτύχθηκε από τους ανθρώπους που τη χρησιμοποίησαν

5. Ψηφιοποίηση Εισαγωγή Δεδομένων • Η ψηφιοποίηση πραγματικών αντικειμένων, χώρων και εικόνων, είναι πολλές φορές ο μόνος τρόπος να αποδοθούν τα απεικονιζόμενα θέματα με πιστότητα

6. Ψηφιοποίηση Φωτογραφικές Μέθοδοι REALVIZ Image modeller

7. Ψηφιοποίηση 3D Scanning • Όταν η ακρίβεια αναπαράστασης των μορφών είναι σημαντικό θέμα (π.χ. στην ψηφιοποίηση μακετών), τότε συνήθως χρησιμοποιείται η τεχνολογία της τρισδιάστατης σάρωσης για καταγραφή 3Δ συντεταγμένων • Η επικρατέστερη τεχνολογία είναι η σάρωση με προβολή δομημένων οπτικών μορφών (light-striping, structured light scanners) • Υπάρχει η δυνατότητα καταγραφής και της χρωματικής πληροφορίας του θέματος εκτός από τις συντεταγμένες

8. Ψηφιοποίηση 3D Scanning– Light striping & structured light

9. Μοντελοποίηση 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

10. Μοντελοποίηση Ψηφιακή Μοντελοποίηση • 70’s: Τα 3D γραφικά βρίσκουν εφαρμογή στον κινηματογράφο • 80’s: Διαμορφώνονται οι τις τάσεις για τα εργαλεία γεωμετρικής μοντελοποίησης • Εμπορικές εφαρμογές γενικής χρήσης • Ολοκληρωμένα περιβάλλοντα μοντελοποίησης και κίνησης • 90’s: Στροφή προς την αλληλεπίδραση και τα 3D γραφικά πραγματικού χρόνου σε μαζικό επίπεδο

11. Μοντελοποίηση Σημερινές Τάσεις • Για τη μοντελοποίηση στατικών και κινούμενων αντικειμένων που προορίζονται για εικόνα χαμηλής ευκρίνειας, τα βασικά δομικά στοιχεία εξακολουθούν να 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

12. Μοντελοποίηση Μοντέλα Πολλαπλών Αναλύσεων • Για να παραστήσουμε με ρεαλισμό πολύπλοκους χώρους, όπως πόλεις με ανθρώπους, δάση κλπ, απαιτείται να ενσωματώσουμε σε αυτούς λεπτομερή μοντέλα • Γίνεται μεγάλησπατάλη πόρων, διότι πολλά από αυτά τα μοντέλα φαίνονται από μακριά ή από συγκεκριμένες οπτικές γωνίες καιδεν είναι αισθητή η λεπτομέρειά τους • Άρα, γιατί να απεικονίζουμε λεπτομέρεια που δεν φαίνεται; Λύση • Μοντέλα πολλαπλών αναλύσεων • Αντικατάσταση γεωμετρικής πληροφορίας από απλή εικόνα / φωτογραφία

13. Μοντελοποίηση • επιλεκτική απεικόνιση διαδοχικά απλούστερων εκδόσεων του ίδιου αντικειμένου όσο αυτό απομακρύνεται από τον παρατηρητή • Μικρότερη κάλυψη της εικόνας από το προβαλλόμενο αντικείμενο  μικρότερη ανάλυση μοντέλου

14. Μοντελοποίηση • Δυναμικά Μοντέλα Πολλαπλών Αναλύσεων • Ειδικά υπολογιστικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για τοναυτόματουποβιβασμό της ανάλυσης (ακόμα και τμημάτων) ενός μοντέλου • Κύρια εφαρμογή ηαπεικόνιση γεωγραφικών περιοχών

15. Μοντελοποίηση Sprites και Billboards • Για επαναλαμβανόμενα πολύπλοκα αντικείμενα, πολλές φορές συμφέρει η αντικατάστασή τους από 2D εικόνες αυτών (billboards)

16. Μοντελοποίηση Υποδιαιρούμενες Επιφάνειες (Subdivision Surfaces) • Επιτρέπουν τη μοντελοποίηση και κίνηση σύνθετων επιφανειών μεγάλης ακριβείας επιδρόντας σε χαμηλότερης ανάλυσης εκδόσεις αυτών

17. Κίνηση Κίνηση – Κλασικές Τεχνικές • Παραδοσιακά, η κίνηση των χαρακτήρων στο 3D animation δανειζόταν την τεχνική της σταδιακής παραμόρφωσης (key-framed warping)που προέρχεται από την stop frame τεχνική για μινιατούρες του σινεμά: • Παράγονται διάφορες πόζες των μοντέλων και • Η κίνηση παρεμβάλλεται μεταξύ αυτών των καρέ-κλειδιών για ολόκληρα τα μοντέλα • Εναλλακτικά, μπορούσε να οριστεί κίνηση με παραμετρικό – μαθηματικό τρόπο • Οι παραπάνω τεχνικές χρησιμοποιούνται ευρύτατα και έχουν καθιερωθεί

18. Κίνηση Κίνηση – Σκελετική Κίνηση • Αντί σε κάθε καρέ κλειδί να κινούμε όλο το μοντέλο, το συνθέτουμε και το κινούμε σαν έναν οργανισμό: • Εμφυτεύουμε μια ιεραρχία από «οστά» μέσα στο μοντέλο • Συνδέουμε το μοντέλο με αυτά • Κινούμε μόνο τα οστά • Η κίνηση μεταδίδεται (με ανάλογα βάρη) στο κέλυφος των οστών, δηλαδή τη γεωμετρία του μοντέλου

19. Κίνηση Κίνηση – Σκελετική Κίνηση • Κερδίζουμε σε • Απλότητακαι ελευθερία κίνησης • Όγκοδεδομένων • Έχουμε δυνατότητα να καταγράψουμε την κίνηση των οστών (motion capture)από πραγματική κίνηση ανθρώπων και ζώων με κατάλληλους αισθητήρες • Διαδεδομένη τεχνική γιαφυσική κίνησηανθρωπόμορφων μοντέλων

20. Κίνηση Προσομοίωση • Μεγάλο μέρος των μεθόδων κίνησης αφορούν στη σωστή προσομοίωση της κινητικής συμπεριφοράς αντικειμένων, χαρακτήρων και πληθυσμών: • Ανίχνευση και διαχείριση συγκρούσεων • Πλαστικές/ελαστικές παραμορφώσεις συστημάτων • Μυϊκή προσομοίωση και προσαρμογή μοντέλων • Προσομοίωση κινούμενου πλήθους • Προσαρμογή και κίνηση ρούχων • Μοντελοποίηση μαλλιών • Ο κινηματογράφος και πάλι είναι αυτός που οδηγεί στις εξελίξεις και σε αυτό τον τομέα

21. Κίνηση Προσομοίωση Dreamworks Ice Age Dreamworks Antz

22. RT Rendering Σύγχρονες Τεχνολογίες Απεικόνισης • Απεικόνιση σε Πραγματικό Χρόνο: Τεχνάσματα και υλοποιήσεις ειδικών αλγορίθμων σε hardware • Φωτορεαλιστική Απόδοση: Πιστή προσομοίωση μοντέλων φωτισμού και κίνησης με υψηλό υπολογιστικό κόστος

23. RT Rendering Real-time Rendering • Ηπρόοδος του hardwareγραφικών επιτρέπει σήμερα την εκτέλεση δαπανηρών υπολογισμών φωτισμού και χρωματισμού πολύπλοκων επιφανειών σε πολύ γρήγορους ρυθμούς • Ως αποτέλεσμα, η ποιότητα των απεικονιζόμενων γραφικών που την προηγούμενη δεκαετία θεωρούνταν κινηματογραφική, να μπορείνα απεικονιστεί σε πραγματικό χρόνο σε έναν τυπικό προσωπικό υπολογιστήπια!

24. RT Rendering Real-time Rendering

25. RT Rendering Real-time Rendering – Τεχνολογία Hardware • Η ολοένα αυξανόμενη λίστα από δυνατότητες των σημερινών επιταχυντών γραφικών περιλαμβάνει: • Υπολογισμούς σκίασης σε κάθε pixel που σχεδιάζεται • Hardware γεωμετρικούς μετασχηματισμούς • Morphing • Σκελετική κίνηση χαρακτήρων • Πολλαπλά περάσματα χρώματος (lightmaps, detail textures) • Μεγάλο δυναμικό εύρος παλέτας (48-128bits χρώμα) • Απεικόνιση αναγλύφου • Εξομάλυνση επιφανειών και γραμμών • Έξυπνη απόκρυψη περιττών επιφανειών • Προγραμματιζόμενα εφέ

26. RT Rendering Real-time Rendering – Τεχνολογία Software • Παράλληλα με την εξέλιξη του υλικού, το λογισμικό απεικόνισης (κυρίως game engines) έχει εξελιχθεί ώστε ναπαρέχει εργαλείαγια: • Σκιές σε πραγματικό χρόνο • Δυναμικό φωτισμό • Ιεραρχική δόμηση και κίνηση σκηνικών (κόσμων) • Απλοποίηση σκηνικών • Εφέ φωτισμού • Απλοποιημένη οντολογική διαχείριση των αντικειμένων • Προγραμματιζόμενη σκίαση (D3D 9, OpenGL2)

27. RT Rendering Real-time Rendering – Τεχνολογία Software ID software Doom III screenshots

28. Φωτορεαλισμός Φωτορεαλισμός: Η γέφυρα με την πραγματικότητα Έρευνα και νέες τεχνικές για: • Ακριβήαπόδοση φυσικού φωτισμού(skylight models, photon maps) • Προσαρμογή θέσης κάμερας συνθετικού κόσμου στην πραγματική σκηνή του φιλμ (camera tracking) • Προσαρμογή δυναμικού εύρους καιεξισορρόπηση χρωμάτωνσυνθετικής εικόνας σε πραγματική φωτογραφία • Επίδραση του φωτισμούτου πραγματικού σκηνικού στο τεχνητό (δυναμικά light maps & environment maps)

29. Φωτορεαλισμός Mattes Colour calibration Camera tracking Photon maps Deep shadows Layered textures Φωτορεαλισμός The Mummy

30. Επίλογος Επίλογος: Η Ελληνική Πραγματικότητα • Καλό επίπεδο τεχνογνωσίαςαπό πλευράς πληροφορικής • Δε συναντάμε συχνά το πάντρεμα της τέχνης και της τεχνολογίας: Καλλιτέχνες και επιστήμονες δε συνεργάζονται • Περιορισμένο κοινό => Κινηματογραφική «βιοτεχνία» μικρού προϋπολογισμού => φτωχές παραγωγές • Κακής ποιότητας, ρηχή εκπαίδευση για τις μάζες • Ουσιαστική συνεισφορά μόνο σε παραγωγές μικρού μήκους, κυρίως από το χώρο της διαφήμισης