Počítačová grafika letem světem

Transkript

1 1 Počítačová grafika letem světem 2002 Jiří Sochor FI MU Brno

2 2 Analýza a syntéza obrazu (obrazová) data modelová ní modely analýza (obrazu) syntéza (obrazu) (obrazový) výstup

3 3 Vizualizace data, funkce, jev vizualizované atributy modely vizualizační prostředky obraz

4 4 Problémové okruhy co a jak nakreslit jak to vytvořit jak se na to podívat jak to osvětlit jak modelovat realitu jak to rychle vypočítat

5 5 Něco o tvrdém vybavení

6 6 Displeje první displeje byly vektorové displeje Electronový paprsek sledoval čáry obraz definován sekvencí koncových bodů drátové zobrazení, bez vypňování

7 7 Displeje Rastrové displeje elektronový paprsek prochází po pravidelné dráze obraz je 2D pole pixelů rychlé, chyby vzorkování Každý pixel má b bitů pro barvu B&W: 1 bit Základní barvy: 8, 15, 16, 24 bits špičkové: 96 bits

8 8 Displeje

9 9 Displeje a obrazové paměti rastrový obraz je uložen v paměti jako 2D pole pixelů obrazová paměť barva každého pixelu určuje intenzitu paprsku Video hardware čte obrazovou paměť 60+ Hz změny v obrazové paměti se ukazují na obrazovce => dvojitá paměť přepnutí pamětí po dokončení kresby snímku

10 10 Displeje a obrazové paměti Obrazová paměť (double buffer) displej Řadič video Grafický software (rasterizer)

11 11 Běžná pracovní stanice CPU Cache RAM přídavná zařízení grafický akcelerátor obrazová paměť grafický subsystém řadič video videosignál

12 12 Nové architektury procesor objektu procesor objektu procesor objektu obrazová paměť

13 13 Nové architektury procesor oblasti 1 procesor oblasti 2 procesor oblasti n obrazová paměť

14 14 Rastrové algoritmy

15 15 Rastrová konverze úseček nalezni pixely nejblíže k ideální přímce m y i = = Δy Δx m. x = i předpoklad m 1: vybarvi 1 pixel ve sloupci, zpracuj inkrementálně if m >1 : x y. + y x e e B y x s s

16 16 Rastrová konverze úseček ye ys xs xe

17 17 Rastrová konverze úseček neefektivní metoda: výpočet round(y) pro každé celé x inkrementální výpočet: y i = mx i + B y i+1 = mx i+1 + B = m(x i +1) + B = y i + m pouze celočíselná aritmetika: Bresenhamův algoritmus

18 18 Rastrová konverze úseček předchozí pixel volba pro současný pixel volba pro následující pixel

19 19 Výplň ploch obarvení všech pixelů v dané oblasti oblast = všechny pixely určité barvy (pixelově definovaná oblast) všechny pixely v určité vzdálenosti od pixelu všechny pixely uvnitř daného polygonu (oblast definovaná polygonem)

20 20 Pixelově definované oblasti S 4-connect 8-connect

21 21 Výplň polygonální oblasti řádka

22 22 Výplň polygonální oblasti

23 23 Souřadné systémy a transformace

24 24 Jak něco nakreslit? okno plotpixel(289,190) plotpixel(320,128) plotpixel(239,67) plotpixel(194,101) plotpixel(129,83) plotpixel(75,73) plotpixel(74,74) plotpixel(20,10)

25 25 Proč je to nepraktické? Souřadnice jsou vyjádřeny v prostoru obrazovky, ale objekty žijí v (3D) ve světovém prostoru Při změně velikosti okna musíme změnit souřadnice kreslených objektů Chceme rozlišit mezi: hodnotami, které popisují geometrické objekty hodnotami potřebnými pro nakreslení těchto objektů na obrazovku

26 26 Okno světa & okno pohledu okno obrazovky okno okno světa okno pohledu

27 27 Souřadné systémy: 2D & 3D Y Z X Y Y Left-handed X Z Right-handed X

28 28 OpenGL

29 29 3D proudová architektura SW+HW Modelové transformace triviální test přijetí/odmítnutí osvětlení ořezání (pokud je třeba) perspektivní dělení konverze do prostoru obrazu nastavení interpolátorů interpolace hran interpolace úseků podmíněný zápis podle Z-paměti VRAM obrazová paměť

30 30 OpenGL Co je OpenGL grafický systém? - je to API (application programming interface) - softwarový interface pro grafický hardware - vrstva mezi programátorem a grafickým hardware - je to Graphics Assembly Language Požadavky na hardware - musí obsahovat frame buffer, tj. musí být pixelově orientován

31 31 Rysy - nezávisí na hardware -nemápříkazy pro práci s okny - OpenGL není pixelově přesné shodná posloupnost příkazů může vytvořit trochu rozdílné obrazy na různých platformách můžeme použít různé algoritmy (float, int) opět, je hardwarově nezávislé

32 32 Co dělá GL? - vykreslování trojúhelníků, čar, polygonů (3D) - manipulace s rastrovým obrazem (2D) - texturování -osvětlování - stínování -mlha - výpočet viditelnosti - alpha míchání - transformace -akumulační paměť - šablonová paměť (stencil b.)

33 33 Co GL nedělá? - úlohy s okny - definice objektů - NURBS (parametrické křivky, plochy) - stíny - odrazy -voxely - reprezentace scény

34 34 Další pohled na OpenGL - OpenGL je stavový automat -tj., můžeme nastavit stav, nebo se na něj dotázat - nastavení stavu: glenable(), gldisable(), etc. - zjištění stavu: glgetsomething()

35 35 Jednoduchý program void main(){ OpenWindow(); InitOpenGL(); // nastav GL stav gldisable(gl_lighting); // nastav GL stav glbegin(gl_triangles); // nastav GL stav glshademode(gl_smooth); // nastav GL stav glcolor3f(1.0,0.0,0.0);glvertex3f(0.0, 0.0, 0.0); glcolor3f(0.0,1.0,0.0);glvertex3f(1.0, 0.0, 0.0); glcolor3f(0.0,0.0,1.0);glvertex3f(1.0, 1.0, 0.0); glend(); // nastav GL stav Wait4Key();// čekej na vstup z klávesnice CloseWindow();}

36 36 Knihovny související s OpenGL - aux.h pomocná knihovna (SGI) - basic window manipulation - simple objects (box, sphere, disc) - obsolete - glu.h OpenGL Utility Library (SGI) - velmi užitečná! - práce s obrazem (měřítko, mip-mapování) - transformace souřadnic - základní objekty - Non Uniform Rational B-Splines (NURBS) - jednoduché (jednodušší) operace glulookat(),gluortho2d()

37 37 Knihovny související s OpenGL - glut.h OpenGL Utility Toolkit (Mark Kilgard) - velmi užitečná! - manipulace s okny nezávislá na platformě - jednoduché menu - vyhlazování (antialiasing) - stereo zobrazování (pokud je podpořeno hw) - zobecněné válce - vytažené objekty -atd.

38 38 OpenGL a související API

39 39 Paměti OpenGL používá několik pamětí - obrazová paměť složená z pixelů (obrazovka) - z-paměť (paměť hloubky) hloubka pixelu -alfa paměť průhlednost pixelu -akumulační paměť pohybové rozmazání, aliasing - indexová paměť barevný mód -paměť šablony popisuje šablonu Některé hodnoty lze nastavit přímo. Některé se nastaví při kreslení.

40 40 Kresba trojúhelníků glbegin(gl_triangle_fan); glcolor3f(1.0,0.0,0.0); glvertex2i(0, 5); glvertex2i(0, 0); glvertex2i(10, 0); glcolor3f(0.0,1.0,0.0); glvertex2i(10, 5); glcolor3f(0.0,0.0,1.0); glvertex2i(10, 10); glcolor3f(0.0,0.0,0.0); glvertex2i(0, 10); glend();

41 41 Barva

42 42 Co je barva? Světlo = elektromagnetické vlny viditelné spektrum 400 nm (fialová) 700 nm (červená)

43 43 Lidské oko (PCG-Cornell University) pohled optická osa žlutá skvrna slepá skvrna

44 44 Lidské oko: sítnice (PCG-Cornell University) světlo prochází krevním řečištěm a vrstvami sítnice před dosažením čípků a tyčinek

45 45 CIE diagram barev

46 46 Gamut (rozsah) barevného monitoru Ne všechny barvy lze zobrazit na CRT monitoru barevné souřadnice každého luminoforu se u jednotlivých monitorů liší

47 47 RGB nejběžnější v grafice: přímé mapování na CRT aditivní barevný systém

48 48 CMY (cyan-magenta-yellow) subtraktivní barevný systém pro získání výsledné barvy odečítá barvy od bílé (r g b) = (1 1 1) (c m y) v systému CMY v systému RGB

49 49 Barevné iluze

50 50 Barevné iluze

51 51 Modely a modelování

52 52 Parametrické křivky a plochy Bezierova křivka b b c a a p(t) = (1-t)a + tb p(t) = (1-t) 2 a + 2t(1-t)b + t 2 c

53 53 Polygony Objekty ve 3D jsou zhotoveny z polygonů Polygony jsou základním stavebním blokem v grafice!

54 54 Tažené (extrudované) povrchy Hranol Povrchová síť trojúhelníků sestrojena automaticky

55 55 Tažené (extrudované) povrchy obecnější: pohyb profilu podél křivky konstrukce polygonu mezi klíčovými polohami

56 56 Tažené (extrudované) povrchy

57 57 Rotační povrchy definice profilu rotace profilu okolo osy

58 58 Rotační povrchy obdoba tažených povrchů RHINO... (rotační povrch + modifikace)

59 59 Konstruktivní geometrie těles - CSG CSG Constructive Solid Geometry Máme objekty popsané pomocí polygonů Jak zkombinujeme objekty? Boolské operace: součet, sjednocení průnik rozdíl

60 60 CSG sjednocení rozdíl rozdíl jednoduchá primitiva

61 61 CSG B A A U B A B A-B B-A řeší se pomocí ořezávání polygonů netriviální řešení okrajových případů

62 62 CSG

63 63 Objemové modelování prostor rozdělen na voxely označení každého voxelu: Patří k objektu? Barva?

64 64 Objemové modelování Aplikace: projekt viditelný člověk nasnímané řezy mrtvého těla každý řez je polem voxelů celé tělo je popsáno souborem objemových dat

65 65 Projekt Viditelný člověk

66 66 Volné tvarování

67 67 Volné deformace-sederberg&parry volné deformace - Free Form Deformation - FFD

68 68 FFD - Cracken&Joy

69 69 Deformace decasteljau

70 70 Světla a stíny

71 71 Klasická zobrazovací metoda

72 Zpětné sledování paprsku (eye ray-tracing) 72 D S L E S

73 73 Zpětné sledování paprsku

74 74 Distribuované sledování paprsku

75 75 Jednoduchá dvoukroková metoda

76 Tříkrokova metoda (zahrnutí LS * D cest) 76

77 77 Vizualizace

78 78 průmyslové aplikace medicína (rentgenová) počítačová tomografie (CAT) nukleární magnetická rezonance (NMR, MRI) pozitronová emisní tomografie (PET) single photon emission computer tomography (SPECT) + kombinace různých technologií (např. CAT+NMR) průmyslová defektoskopie sonogramy, rentgenové přístroje,..

79 79 Vizualizace v lékařství

80 80 Vědecké aplikace zobrazení naměřených dat geologie, seismologie meteorologie molekulární chemie a biologie zobrazení matematické simulace (dynamická) vektorová pole: průmyslová konstrukce, aerodynamika, meteorologie,.. astronomie a astrofyzika zobrazení implicitně definovaných ploch

81 81 Vizualizace v chemii

82 82 Model rozptylu světla L osvětlení R t 1 t (x,y,z) t 2 I(t )D(t hustota )P(cosθ ) odrazová funkce paprsek R prochází prostorem skalární funkce 3 proměnných x,y,z

83 83 Antialiasing

84 84 Antialiasing Alias vzniká díky diskrétní povaze obrazovky (rastrových zařízení): aliasové jevy mohou být redukovány pomocí zvýšeného rozlišení předfiltrováním postfiltrováním

85 85 Antialiasing původní scéna průběh jasu

86 86 Vzorkování vzorkování ve středech pixelů vzorky jasového signálu

87 87 Alias - zobrazení zobrazení průběh jasu

88 88 Alias zubaté profily originál kresba

89 89 Alias ztráta detailu originál kresba

90 90 Alias rozpad tvaru pravidelná šachovnice v perspektivě

91 91 Filtrování Předfiltrování zjišťuje barevné plochy uvnitř pixelu

92 92 Ukázka bez antialiasing

93 93 Ukázka předfiltrování

94 94 Ukázka bez antialiasing

95 95 Ukázka předfiltrování