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Modul: B-CG Grundlagen der Computergraphik

Modul: B-CG Grundlagen der Computergraphik. Begrüßung und Einführung Prof. Dr. Detlef Krömker Professur für Graphische Datenverarbeitung Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12). Das Ziel der heutigen Veranstaltung. Übersicht zur Veranstaltung und deren Einordnung:

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Modul: B-CG Grundlagen der Computergraphik

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Presentation Transcript

  1. Modul: B-CG Grundlagen der Computergraphik Begrüßung und Einführung Prof. Dr. Detlef Krömker Professur für Graphische Datenverarbeitung Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12)

  2. Das Ziel der heutigen Veranstaltung Übersicht zur Veranstaltung und deren Einordnung: • im Allgemeinen und • an der Goethe-Universität. Wie lernt man Computergraphik? Welche Materialen stehen für Sie zur Verfügung? Scheine und Prüfungen Einige „Specials“

  3. Was ist Computergrafik? Computergrafik an der Goethe-Universität Wie lernt man CG? Vorlesung und Übung Themenübersicht Literatur, bereitgestellte Materialien Scheine und Prüfungen Specials: Fachzeitschriften, Konferenzen, Web-Quellen Readings Fragen und Antworten Ausblick – Nächste Schritte Übersicht

  4. 1. Was ist Computergrafik? • Der Begriff Computergraphik: Technologien und Anwendungen • Einordnung in den Wissenschaftskanon: Die fachliche Breite der CG • Etwas Geschichte • Wichtige Fachgesellschaften und Normungsgremien

  5. Eine etwas „sperrige“ Definition (GI-FB GDV) „Unter Graphischer Datenverarbeitung (GDV) versteht man die Technologie, mit der Bilder im allgemeinen Sinn des Wortes (Graphiken, Grau- und Farbbilder) mit Hilfe von Rechnern erfasst bzw. erzeugt, verwaltet, dargestellt, manipuliert, in einer für die jeweilige Anwendung geeigneten Form verarbeitet und mit sonstigen, auch nicht-graphischen Anwendungsdaten in Wechselbeziehungen gebracht werden können. Dazu gehören auch die rechnergestützte Integration und Verknüpfung dieser Bilder mit anderen Kommunikationsmedien, wie Audio, Sprache und Video, zur Realisierung komplexer multisensorischer Dialogtechniken.“ Fachbereich „Graphische Datenverarbeitung“ ist einer von 13 Fachbereichen der Gesellschaft für Informatik, siehehttp://www.gi-ev.de/gliederungen/fachbereiche/

  6. Einfacher in Englisch? “Computer graphics (CG) is the field of visual computing, where one utilizes computers both to generate visual images synthetically and to integrate or alter visual and spatial information sampled from the real world. … This field can be divided into several areas: real-time 3D rendering (often used in video games), computer animation, video capture and video creation rendering, special effects editing (often used for movies and television), image editing, and modeling (often used for engineering and medical purposes). from: http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_graphics „The pictorial representation and manipulation of data by a computer“ from: http://wordnet.princeton.edu/perl/webwn?s=computer%20graphics ???

  7. CAD CAE Spiele Training(CGI) Animation CAM Kunst Technologien und Anwendungen • Computergrafik CG • oder Computergraphik • oder Graphische Daten- verarbeitung GDV • war und ist oft • Enabling Technology • Training (Sichtsimulation, CGI Systeme) • Computer-Spiele • Computer-Animation + Special Effects • Computer-Kunst • Ingenieuranwendungen CAx • GUI = „Gesicht“ jeder modernen Computeranwendung CG GDV GUIs

  8. Virtual Factory Computergraphik CGAnwendungen und Technologien CAD CAM CAE Special Effects in Film und Video Augmented Reality CG Virtual Reality Bildverarbeitung GUI Human Computer Interaction (HCI) Mixed Reality Multimedia Kunst Printing & Publishing Animation Games Entertainment Visualisierung Training CGI Sichtsimulatoren Geographische Informationssystem GIS

  9. Produktentwicklung Virtual Factory Special Effects in Film und Video Robotics CAE Schalenmodell CAD CAM Bildverbesserung Objekterkennung Aufklärung Qualitätssicherung Animation 2D GUIs CG BV Bild- analyse HCI 3D GUIs Printing & Publishing MM MR Kunst Games Entertainment Visualisierung E-Commerce Web-Kataloge Medizin Chemie Biologie Geographische Informationssystem GIS Geologie E-Learning Training CGI

  10. Kerntechnologien • Computergrafik • Digitale Bildverarbeitung  Basisvorlesungen für Visual Computing • HCI Human Computer Interface • Multimedia • Animation • Visualisierung • Mixed Reality (Virtual Reality, Augmented Reality) (Virtuelle Realität, Erweiterte Realität) Problemorientierte (spezielle) Technologien  Spezialvorlesungen

  11. Die Relation CG und BildverarbeitungDas klassische Schema nach Rosenfeld ´75 Historisch: Strenge Trennung zwischen Computergraphik und Bild-verarbeitung: HW, SW, Systeme, Methoden, ..., Personen, Konferenzen, ... Heute: Integrierte Betrachtung

  12. • Symbolische Ebene: • Merkmalsebene • Abtastebene • Reiz- & Aktionsebene Computergraphik und Bildverarbeitung beliebige Datenstruktur Text, Tabellen (Noten, .. Modelle (Kinematik, Dynamik, Verhalten) Geometrie & (visuelle) Merkmale Animation Festbild Digitalvideo Grafik- und Merkmals-Primitive Digitales Bild optisch optisch (haptisch, akustisch)

  13. Anzeige (Display) Visualisierung Rendering Bildanalyse, -verstehen Aufnahme Merkmalsextraktion Die wichtigsten Transformationsschritte 1 • Symbolische Ebene: • Merkmalsebene • Abtastebene • Reiz- & Aktionsebene beliebige Datenstruktur Grafik- und Merkmals-Primitive Digitales Bild

  14. Anzeige (Display) Rendering Graphikbearbeitung Bildbearbeitung: u.a.Compositing d.h. der Schwerpunkt in CGist Bildsynthese Die wichtigsten Transformationsschritte 2 • Symbolische Ebene: • Merkmalsebene • Abtastebene • Reiz- & Aktionsebene beliebige Datenstruktur Grafik- und Merkmals-Primitive Digitales Bild

  15. Rendering Photorealismus ist keine wirkliche Herausforderung mehr! Klassische Beleuchtungsmodelle reichen weitgehend! Ggf spezielle Modellierungsmethoden BRDFs und BTFs verbessern Realitätstreue weiter und lösen „Problemobjekte“: z.B. Haut und Haare

  16. ProzeduraleFraktale Modellierung

  17. Prozedurale Fraktale Modellierung

  18. Fraktale Modellierung

  19. Graphikbearbeitung – Rendering – ggf. Compositing und Anzeige sind Grundoperationen der Computergraphik und Basis jeder graphischen Anwendung und Spezialisierung: • Multimedia • HCI Human Computer Interface • Visualisierung • Mixed Reality (Virtual Reality, Augmented Reality) (Virtuelle Realität, Erweiterte Realität) • Animation Prinzipien und Beispiele aus unserer Arbeit!

  20. Multimedia S Text Bild Graphik Ton Video MM > Zu viele Definitionen, aber: Interaktion macht den Unterschied! Ivan Sutherland (1965) „The screen is a window through which one sees a virtual world. The challenge is to make that world look real, act real, sound real, feel real”

  21. High-End Content – Produktionen fürs eLearning Der Gläserne Reaktor für Axiva 2000-2002 VRML-Anwendung Christian Seiler

  22. Trainingssimulatoren Der Trainingssimulator aus ETOILE (EU-Projekt)

  23. Antikörperca. 16.000 AtomeWechsel zwischenverschiedenenAbstraktionen

  24. High-End Content – Produktionen fürs eLearning Pixel Explorer für Merck (2004/2005) Michaela MümpferDennis Bayer siehe: http://www.merck.de/ servlet/PB/menu/ 1235790/index.html

  25. Pigment-Explorerfür Merck2005/2006noch nicht freigegebenMichaela MümpferAshraf Abu Baker

  26. Human Computer Interface (HCI) • nicht Benutzerschnittstellesondern Benutzungsschnittstelle • „Gesicht“ eines interaktiven Programms • State-of-the-Art WIMP-Schnittstellen Windows Icons Menues Pointing Devices H. Fuchs 2001

  27. HCI und Interaktion Herausforderungen: Werkzeugmetapher  Assistentenmetapher Integration von Mixed Reality UI auf Mobile Devices ... Sutherland’s Sketchpad (1963) Engelbart’s Mouse (1963-64)

  28. Definition „Visualisierung“Grundsätzliches • Visualisierung bezeichnet den Vorgang der Sichtbarmachung von Materie, Energie, Information oder Prozessen. • In der Informatik reduziert sich dieses auf die Visualisierung von Daten, Informationen, Modellen, ... • „In der Tat ist der Mensch ein Augentier.“ Herbert W. Franke Etwas Altbekanntes: „Imagination oder Visualisierung und besonders die Benutzung von Diagrammen haben einen entscheidenden Anteil an der wissenschaftlichen Forschung.“ Rene Descartes, 1637

  29. VisualisierungModerne Definition(-sversuche) Zwei Aspekte: • “making visible, especially to one’s mind (things not visible to the eye)”  modernes Mikroskop, Teleskop, ... Bsp. Molekül; Imaging in der Medizin • “forming a mental image of something (thing not present to the sight, an abstraction, etc.)” ... Informationsvisualisierung ... the use of computers or techniques for comprehending data or to extract knowledge from the results of simulations, computations, or measurements Mc Cormick, De Fanti, Brown 1987

  30. Das Visualisierungsproblem

  31. Was ist dies?

  32. oder dies?

  33. Die 2D-sinc Funktion

  34. Visualisierung von Messdaten Aufbereitung und Visualisierung von Messergebnissen aus der Biologie: Ultraschallmikrosskopie Dr. Christian Seiler

  35. Visualisierung von Simulationsergebnissen 3D-Reaktions- / Diffusionssystem Dr. Christian Seiler

  36. Mixed Reality = VR +AR VR: Begriff von Jaron Lanier, 1987geht aber zurück auf Artifical Reality von Myron Krueger, 1982 als Hauptziel: Immersion (Vermittlung des Gefühls, Teil des Geschehens zu sein – eingetaucht zu sein) AR: Augmented Reality (erweiterte Realität)

  37. Animation – zur Terminologie (1) Animation bezeichnet die Gesamtheit der Methoden zur Erzeugung synthetischer Bewegtbilder (2) Animation nennt man ein vermittels (1) erzeugtes Produkt (auf Bewegtbildmedien) Ursprünge: animus: Lufthauch, Atem animos: beleben anemos (anemos): Wind, Atem Zeitvariante Computergraphik

  38. Ein paar Pixar-Animations: Luxo Jr. by John Lasseter (1986)

  39. Toy Story (1995)

  40. Gerrys Game (short) (1997) A Bug’s Life (short) (1998)

  41. For the Birds (short) 2000

  42. Finding Nemo 2003wenn Sie mehr sehenwollen, kommen Sie zu den Filmabenden:The History of Computer Graphics 11.5. 18.00 UhrBest of SIGGRAPH Video Review 22.6. 18.00 Uhr

  43. Die fachliche Breite der CG • Hardware und Systeme • Psychophysik des Visuellen Systems und Bildwahrnehmung: Form, Farbe, Bewegung, ... • Geometrische Probleme, numerische Probleme • physikalische Modellbildung, z.B. Licht-Materie-Interaktion • algorithmische Probleme und Optimierungen • Systemtheorie • Design- und Gestaltungsfragen, ... • Softwareergonomie, SW-Engineering, ...

  44. Relationen zu anderen Technologie- und Wissensgebieten • Hardware (Technische Informatik) • Wahrnehmungs- und Kognitions-Psychologie • Ergonomie  Arbeitswissenschaften • Semiologie (Zeichenlehre) Philosophie • Farbenlehre  Physik und Kunst • Physik ... Simulation • Systemtheorie • Mathematik • Geometrie CAGM (Computer Aided Geometric Modeling) • Numerik • Networking (Internet) • SW-Engineering, u.v.a.m.

  45. 50er 1959 1961 1961 Kathodenstrahlröhre wird zur Bildausgabe unter Computersteuerung eingesetzt: OszilloskopKalligraphische (Vektor-) Displays = (x,y)-Schreiber Lichtgriffel(Light-Pen) um Punkte auf dem Bildschirm anzusprechen Erstes computergestütztes Zeichensystem DAC-1 (Design Augmented by Computers) bei General Motors /IBM Sketchpad-System (Sutherland, PhD 1963, MIT ) Datenstrukturen / BildhierarchienBildkomposition aus graphischen StandardelementenInteraktionstechniken (Tastatur, Lichtgriffel) Steve Russel (MIT) entwickelte erstes video game (Spacewar) auf einer DEC PDP-1 Entwicklung der Gerätetechnik war oft entscheidend für die Entwicklung der Computergraphik Erste Schritte bis 1965

  46. 1969 1969 1971 1971 1970 – 1975 1974 Alan Kay (Xerox Parc) entwickelt die Desk-Top-Methapher des graphischen User Interfaces  Apple (Lisa, MAC, …) Begriff “Informatik” für “Computerwissenschaft” in Deutschland Bézierkurven (Bézier) werden bei Renault eingesetzt, CAD-Systeme Erstes Computer-Rasterdisplay GINO (van Dam) Geräteunabhängiges Ein-Ausgabesystem (Logische Ein-Ausgabegeräte, normalisierte Gerätekoordinaten) Seillac 1 und Seillac 2 Workshop Basis für Internationale Normen (Standards): (CORE 1977), GKS 1985, PHIGS 1989, CGI, … ) Hunger„ von Peter Foldes : Erster voll animierter Film mit Hilfe vonComputer Techniken( Interpolation und Inbetweening). Die erste Morphing Technik Sturm und Drang1965 - 1975

  47. Mitte 70er Ende 70er Anfang 80er Raster-Displays werden als Textterminal eingesetzt, damit auch Blockgraphik möglich CRT-Controller(Bildspeicher auslesen und auf den Schirm ausgeben) Hardwareunterstützung von 2D-Operationen BitBLT Weitere Details siehe Doc Computer Graphics History HardwareentwicklungSchlüsseltechnologie

  48. Rolle und Struktur dieser Veranstaltung (1)

  49. Ziele dieser Veranstaltung • Anwendungskompetenz: Die Studierenden haben die grundlegenden Problemstellungen, Methoden, Verfahren und Algorithmen der Computergraphik kennen gelernt. Die Studierenden sollen im Stande sein, für konkrete Problemstellungen systematisch brauchbare Lösungen zu entwickeln und diese zu validieren. Sie sollen problemorientiert geeignete Verfahren und (Basis-) Systeme auswählen und anwenden können.

  50. Ziele dieser Veranstaltung • Theoretische Kompetenz: CG nutzt neben informatischen Modellen auch spezielle grundlegende Verfahren aus der Mathematik, der Physik, der Signaltheorie und Elemente der subjektiven Wahrnehmung. Elementare Kenntnisse dieser „Theorien“ soll es den Studierenden ermöglichen, nicht nur aktuelle Lösungen und Systeme zu beherrschen, sondern theoretisch untermauerte grundlegende Konzepte und Methoden zu kennen, die über aktuelle Trends hinweg Bestand haben.

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