Podstawy grafiki komputerowej wykład I

Prezentacja na temat: "Podstawy grafiki komputerowej wykład I"— Zapis prezentacji:

1 Podstawy grafiki komputerowej wykład I
dr inż. Wojciech Tarnawski

2 Grafika komputerowa (na podst
Grafika komputerowa (na podst. słownika informatycznego) to dział zastosowań komputerów obejmujący tworzenie i edycję przy pomocy odpowiedniego sprzętu i oprogramowania (tzw. programów graficznych) obrazów obiektów rzeczywistych i wyimaginowanych tj. rysunki, projekty architektoniczne, reklamy, prezentacje multimedialne itp.

3 Dwa podstawowe „nurty” grafiki komputerowej:
grafika rastrowa (ang. raster graphic) - sposób opisu obrazu graficznego polegający na podziale obszaru wyświetlania na pojedyncze punkty (piksele). Każdemu pikselowi przyporządkowane jest jego położenie w obrazie oraz kolor. grafika wektorowa (ang. vector graphic) - sposób opisu obrazu oparty na formułach matematycznych. W przeciwieństwie do grafiki rastrowej (opierającej się na zapamiętywaniu koloru i położenia pojedynczych pikseli), grafika wektorowa zachowuje informacje o tworzących kształty obiektów liniach oraz krzywych - włączając ich położenie oraz barwę.

4 Zalety i wady obu podejść:
grafika rastrowa wymaga dużych zasobów pamięciowych (kompresja) grafika rastrowa jest zależna od rozdzielczości, w przeciwieństwie do grafiki wektorowej. Wykonywanie niektórych operacji może powodować znaczne zniekształcenie obrazu. w przypadku grafiki wektorowej - większa kontrola na wyglądem i położeniem obiektów rysunku. Podczas edycji obrazka zapisanego w formacie wektorowym poszczególne obiekty można modyfikować niezależnie od pozostałych. jedną z podstawowych wad grafiki wektorowej jest to, iż tworzone w niej obrazy nie nadają się raczej do przedstawiania realnej rzeczywistości ze względu na zapewnienie niezależności sprzętowej przy wizualizacji najczęściej opis wektorowy przekształca się w obraz rastrowy (złożony z pikseli).

5 Plan wykładu: - Metody reprezentacji obrazów cyfrowych (obraz kolorowy, monochromatyczny, binarny, rozdzielczość obrazu, liczba poziomów kwantyzacji), formaty zapisu obrazów (BMP, JPEG, obraz indeksowany, TIFF, GIF) - Elementy grafiki 2D: rysowanie linii, okręgów, krzywych,transformacje. - Elementy grafiki 3D: rzutowanie, synteza realistycznych obrazów cyfrowych 3D za pomocą metody śledzenia promieni - Elementy grafiki rastrowej, podstawy modyfikacji obrazów cyfrowych, modyfikacja jasności i kontrastu, operacje na histogramie obrazu, filtracja liniowa i nieliniowa obrazów;

6 Krótka historia grafiki komp.
Lata – tworzenie obrazów złożonych ze znaków alfanumerycznych przy pomocy drukarek wierszowych IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII II II II II II II II O II II IIIIII II II II

7 Krótka historia grafiki komp. - c.d.
Lata – zastosowanie lampy CRT (ang. Cathode Ray Tube) do wyświetlania obrazów wygenerowanych komputerowo ( wyświetlanie wektorowe, monitor wektorowy, grafika wektorowa).

8 Krótka historia grafiki komp. - c.d.
Rok 1963: “Sketchpad” Ivana Sutherlanda – pierwszy system graficzny złożony z CRT i pióra świetlnego pozwalający na interakcję użytkownika. “Sketchpad” był pierwszym programem pozwalającym na tworzenie grafiki bezpośrednio na ekranie monitora, w miejsce wprowadzania kodu i procedur za pośrednictwem klawiatury. Pozwalał on także na zmianę i aktualizację informacji przechowywanej w komputerze poprzez zmiany nanoszone na wyświetlaczu. Możliwości Sketchpada otworzyły nowe horyzonty dla projektowania wspomaganego komputerowo, które pod nazwą CAD jest wykorzystywane do dnia dzisiejszego.

9 Krótka historia grafiki komp. - c.d.
Rok 1968 – prezentacja przez firmę Tektronix wyświetlacza z możliwością przechowywania obrazu. Obraz mógł być utrzymywany na nim przez dowolny czas. Założyciele firmy opracowali sposób na precyzyjny pomiar i wyświetlanie superszybkich sygnałów elektrycznych na urządzeniu, znanym pod nazwą oscyloskopu. Koniec lat 60-tych i początek 70-tych – wyświetlacze rastrowe Skanowanie rastrowe - technika stosowana w TV wykorzystana została w latach sześćdziesiątych w monochromatycznych wyświetlaczach tekstowych dla terminali znakowych i konsolach komputerowych. Wyposażono je w niewielką ilość pamięci, wystarczającą na jeden znak, natomiast promień wodzący był włączany i wyłączany podczas przebiegu w poprzek całej szerokości ekranu. Wytwarzało to serię punktów (dokładnie tak, jak na drukarce igłowej), które mogły tworzyć kombinacje odpowiadające znakom kodowanym w systemie ASCII.

10

11 Schemat ideowy „procesu graficznego”
Cel: wygenerowanie następującego obrazu

12 Schemat ideowy „procesu graficznego”

13 3D Animation

14 Schemat ideowy „procesu graficznego” - c.d.

15 Teksturowanie

16 Podstawowe pojęcia Rendering – proces tworzenia obrazu na ekranie z modelu lub obiektu. Obiekty – tworzone z tzw. prymitywów (punktów, linii, wielokątów) opisanych wierzchołkami. Piksel – najmniejszy widoczny element obrazu. Zapis obrazu (pikseli) jest realizowany w postaci bitmap.

17 Modelowanie 3D Co jest głównym celem modelowania 3D?
daje możliwość syntezy obrazu poprzez utworzenie modelu zawierającego: kamerę, źródło światła, obiekty daje możliwość projektowania wyimaginowanych obiektów daje możliwość późniejszej produkcji zaprojektowanych obiektów daje możliwość symulacji oddziaływań na/z obiektami (np. badania aerodynamiczne) artystom daje możliwość realizacji ich artystycznych “wizji”

18 Atrybuty każdego modelu:
Struktura (geometria i topologia) Wygląd ( punkt patrzenia, sposób pokrycia powierzchni obiektu, oddziaływanie ze światłem)

19 „Widzenie” w 3D Przy modelowaniu świata rzeczywistego używamy prostych kształtów...

20 ...prostych, a może jednak nie zbyt prostych...

21

22

23 Wnioski: kształty obiektów rzeczywistych są bardzo złożone więcej szczegółów = więcej realizmu, a zatem... bardziej złożony model, większa złożoność obliczeniowa przy renderowaniu, więcej pamięci i przestrzeni dyskowej, więcej...

24 Formalizacja obiektów (uszczegółowienie wybranych obiektów)

25 Obiekty tworzone są z tzw
Obiekty tworzone są z tzw. prymitywów 2D (punktów, linii, wielokątów, łuków, okręgów, krzywych,...) lub prymitywów 3D (płaszczyzn, powierzchni, ...) = elementów grafiki wektorowej Kształt jest “przejawem” (instancją) prymitywu Każda instancja danego prymitywu może być inna

26 Na zdefiniowanych obiektach lub w ich wybranych częściach możemy wykonywać tzw. transformacje elementarne ( przesunięcie, obrót, skalowanie)

27

28

29 Najczęściej wykorzystywane “zasoby”
(metody i algorytmy) przy modelowaniu 3D Krzywe i powierzchnie (płaty) – modelowanie przy pomocy interpolacji lub aproksymacji algorytmy: krzywe i płaty Beziera, krzywe i płaty sklejane, zastosowanie aproksymacji wielomianowej, itd.

30

31 Idea CSG (ang. Constructive Solid Geometry - pol
Idea CSG (ang. Constructive Solid Geometry - pol. Konstrukcyjna Geometria Bryłowa ) Głównym założeniem CSG jest budowanie obiektów z podstawowych, ściśle określonych brył takich jak kula, cylinder, stożek czy prostopadłościan. Obiekty te możemy ze sobą składać (otrzymując w ten sposób obiekty złożone) przy pomocy tzw. operacji boolowskich, które odpowiadają typowym działaniom na zbiorach tj.: sumie różnicy przecięciu (części wspólnej)

32 Suma Boolowska Różnica Boolowska Przecięcie Boolowskie (część wspólna)

33

34 Podsumowanie dot. modelowania 3D Metody modelowania
modele analityczne : bezpośredni opis równaniem powierzchni lub płata, wielomianowe krzywe parametryczne, parametryczne wielomianowe płaty powierzchni, modele fraktalne modele szkieletowe (opisujące bryłę): siatka wieloboków, CSG Sposoby modelowania interaktywny wykorzystanie istniejących zasobów wykorzystanie bibliotek kształtów inne

35 Wybór odpowiedniego modelu
Koszt (czas wykonania projektu, zasoby sprzętowe i pamięciowe, czas renderingu, czas do realizacji symulacji, łatwość animacji) Złożoność (liczba kształtów i prymitywów, złożoność każdej instancji danego kształtu ) Łatwość symulacji Łatwość animacji Efektywność (geometria, wygląd, dokładność)

36

37 Rzutowanie - rzut perspektywiczny - rzut ukośny

38 Modelowanie oświetlenia

39 Teksturowanie obiektów

40 Usuwanie elementów niewidocznych
- sortowanie ścian - algorytm z-bufora

41 Czym jest rendering ? Rendering – proces tworzenia obrazu na ekranie na podstawie modelu lub obiektu. Głównym zadaniem renderingu jest zamodelowanie oddziaływania między materią a światłem.

42 ray-tracing = śledzenie promieni
Jedna z metod renderingu - metoda śledzenia promieni (ang. ray-tracing) Metoda umożliwiająca wygenerowanie cyfrowego obrazu 3D w oparciu o symulację efektów fizyko-optycznych. ray-tracing = śledzenie promieni Symulowanie (śledzenie „trasy” ) tzw. wstecznych promieni świetlnych biegnących od oka obserwatora (kamery) do źródła światła.

43 Śledzenie promieni biegnących od źródła światła do oka obserwatora (kamery) jest bardzo kosztowne obliczeniowo (większość z tych promieni nie dociera do oka obserwatora)

44 W procesie ray-tracingu promienie są analizowane „od tyłu” - promienie wsteczne
Aby utworzyć obraz trzeba zasymulować tyle promieni wychodzących z oka obserwatora, ile jest pikseli na obrazie

45

46 Zastosowania grafiki komputerowej
sztuka (nas raczej nie interesuje...) rozrywka (także... :o) ) zastosowania naukowo-techniczne (o ...tak!) wizualizacja zjawisk, procesów, oddziaływań obiektów,...