Počítačová grafika a virtuálna realita. doc. Ing. Branislav Sobota, PhD. Katedra počítačov a informatiky FEI TU Košice

Transkript

1 2015 Počítačová grafika a virtuálna realita doc. Ing. Branislav Sobota, PhD. Katedra počítačov a informatiky FEI TU Košice

2 Počítačová grafika Forma komunikácie s počítačom a používateľské rozhranie Obaly v obchodoch Design automobilov či výrobkov spotrebnej elektroniky Projektovanie budov a interiérov Noviny, časopisy, katalógy Predpoveď počasia Počítačové hry a zábava Spracovanie hospodárskych či štatistických výsledkov Film, video, reklama KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 2

3 História Johannes Guttenberg - kníhtlač Joseph Marie Jacquard zavádza tkáčsky stav riadený diernymi štítkami 1943 Alan M. Turing zostrojuje elektronický počítač COLLOSSUS 1946 John William Mauchly a John Presper Eckert stavajú univerzálny elektronický (na báze elektróniek) počítač ENIAC 1951 Ivan Moscowich stavia kresliaci stroj 1960 pracovníci firmy Boeing zavádzajú pojem "počítačová grafika" 1961 Edward E. Zajac vytvára prvý film animovaný počítačom s názvom "Two-Gyro Gravity - Gradient Attitude Control System" 1962 Ivan Sutherland predstavuje prvý interaktívny grafický program Sketchpad ovládaný svetelným perom s výstupom na grafickú obrazovku 1963 je vyrobený prvý "ploter" - kresliaci stroj riadený číslicovým počítačom 3

4 História 1964 Douglas Engelbart zo Stanfordského výskumného inštitútu v Kalifornii vymyslel "x-y coordinate indicator for graphics systems" 1965 Georg Nees, Michael A. Noll a Bela Julesz usporiadúvajú prvú výstavu počítačovej digitálnej grafiky v USA 1969 sa objavuje sa prvý stolný počítač FLEX, ktorý používa grafiku, okienka a myš, zrod mikroprocesora 1973 firma XEROX definuje počítač ALTO, ako vstupné zariadenie používa myš a z hľadiska postupu sa využíva dnes tak samozrejmé "označ a urob" 1978 firma INTEL uvádza prvý 16-bitový mikroprocesor i prvá grafická 32-bitová stanica HP-9000, celovečerný film "TRON" a zavedenie počítačových efektov do filmárskej praxe George Lucas a "Hviezdne vojny" 1982 firma Microsoft v tomto roku začína práce na CGI - Computer Graphics Interface, základ dnešných WINDOWS Počnúc 80-tymi rokmi nastáva prudký rozmach počítačovej grafiky 4

5 Farby v počítačovej grafike Historické náväznosti Oheň Horúci Suchý Vzduch Zem Mokrý Studený Aristoteles, cca 300 p.n.l Voda KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 5

6 Farby v počítačovej grafike Chromatický diagram 6

7 Farby v počítačovej grafike Relatívna citlivosť ľudského oka na farby relatívna citlivosť oka r denné videnie b x 10 g vlnová dlžka (nm) 7

8 Miešanie farieb Miešanie farieb 8

9 Miešanie farieb z pohľadu človeka (dithering) KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 9

10 Farby v počítačovej grafike Farebné modely RGB CMY HSB HLS 10

11 Typy grafickej informácie vektorové rastrové 11

12 Grafické objekty vektorové rastrové 12

13 Strata informácie pri manipulácii s rastrovým objektom 13

14 Zväčšenie objektov vektorový rastrový 14

15 Modely v počítačovej grafike Reprezentácia objektov Systémy založené na množine bodov mračná bodov (Points clouds) systémy založené na drôtovom modely (Wire Frame Model) systémy založené na povrchovom modely modely (Surface Model) systémy založené na objemovom modely (Solid Model) KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 15

16 Modely v počítačovej grafike Reprezentácia objektov KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 16

17 Reprezentácia objektov CSG reprezentácia A _ T 4 _ T 5 B _ T _ 4 T 5 výsledný tvar T 1 + T 2 + T 3 T 1 + T 2 + T 3 KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 17

18 Reprezentácia objektov Hraničná reprezentácia základné elementy kombinované elementy KPI FEI TU Košice 02 UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita Formát: podľa implementačnej potreby, najčastejšie binárny alebo textový 18

19 Transformácie v počítačovej grafike Zrkadlenie Posunutie Zmena mierky Skosenie Otočenie 19

20 Príklad všeobecnej rotácie T P T Oa T Ob T O T T T Ob Oa P 20

21 Realistické zobrazovanie Tieňovanie Osvetľovanie Fotorealistické zobrazovanie 21

22 Fotorealistické zobrazovanie Raytracing S 1 vnútro 3D scény P bod priemetne B L 2 L 1 T 2 A T 1 T 1 A L 3 C L 4 C L 3 T 1 B T 2 L 2 L 1 L 4 S 1 P obrazovka (priemetňa) 22

23 Fotorealistické zobrazovanie 23

24 Fraktály Fraktál je množina, ktorej Hausdorffova dimenzia je väčšia než dimenzia topologická. 24

25 Fraktály Sierpinského koberček Kochovej krivka Mandelbrotova množina 25

26 Fraktály a prírodné útvary Plazma (amorfné tvary, obloha, oheň) 26

27 Fraktály a prírodné útvary Krajina 27

28 Fraktály a prírodné útvary Rastliny po 5. iterácii po 4. iterácii po 4. iterácii papraď 28

29 Fraktály a prírodné útvary Kosti 29

30 Virtuálna realita Virtuálno-realitný systém predstavuje interaktívny počítačový systém, vytvárajúci ilúziu v danom čase neexistujúceho len syntetizovaného priestoru alebo ešte presnejšie môžeme hovoriť o tzv. dokonalej simulácii v prostredí tesného spojenia človek-počítač 30

31 Používané pojmy Virtual reality Fuzzy reality Mixed reality (augmented, extended) cyberspace Pozorovateľ, cybernaut Avatar HCI Human Computer Interacrtion 31

32 Historické náväznosti Sensorama (Morton L. Heilig, 1950s) Telespheremask (Morton L. Heilig, 1960s) bicyklovanie Brooklynom KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 32

33 Avatar z Avatára (sanskrit) inkarnácia naj/vyššej bytosti (boha) na Zemi KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 33

34 Avatar Štruktúra reprezentujúca používateľa vo virtuálnom svete KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 34

35 Niektoré technológie spadajúce do oblasti VR telerobotika teleprezencia teleriadenie (t.j. účasť na vzdialenom deji, forma virtuálnej výuky alebo forma virtuálnej konštrukčnej kancelárie) 35

36 Podsystémy VR systému Akustický podsystém Hmatový podsystém Vizualizačný podsystém Virtuálno-realitný systém Čuchový a chuťový podsystém Statokinetický a kinematický podsystém... ostatné podsystémy... 36

37 Kategorizácia VR systémov 37

38 Systém interakcie VR systém Vstupný podsystém Jadro systému Výstupný podsystém spätná väzba/riadenie Vstupný podsystém Jadro systému Výstupný podsystém spätná väzba/riadenie KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 38

39 Rozhrania systémov Znakové (príkazový riadok (command line), terminál) Grafické Bio-adaptované, prirodzené a technológie virtuálnej reality KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 39

40 Vstupno/výstupné prostriedky VR systémov 40

41 Spolupráca podsystémov 41

42 Pracovisko VR systému (1.generácia ) 42

43 Pracovisko VR systému Virtuálna jaskyňa KPI FEI TU Košice (Virtuálna jaskyňa, TU Zvolen) UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 43

44 Pracovisko VR systému 44

45 Proces VR systému Príprava Vizualizácia 3D tlač a získavanie Modelovanie a práca a vytváranie Overovanie vstupov a úprava s virtuálnym reálnych svetom objektov 3D virtualizačný reťazec 45

46 Proces VR systému 46

47 Zmiešaná realita (MR) Zmiešaná realita (mixed reality, MR) je oblasť počítačového výskumu zaoberajúca sa kombináciou reálneho sveta a počítačom generovaných dát (virtuálnej reality), kde počítačom generované syntetické objekty sú vmiešavané do reálneho prostredia a naopak, v reálnom čase 47

48 Previazanie zobrazovaných obrazov v systémoch MR súradnicový systém reálnej scény súradnice pozície kamery R súradnice obrazu reálnej scény Výstupné zobrazovacie zariadenie reálna scéna videná používateľom súradnicový systém sveta (výstupná súradnicová sústava) Zosúladenie reálnej a virtuálnej scény (prepočet súradnicových systémov) Obraz scény (reálny pohľad) Virtuálny obraz (virtuálny pohľad) súradnice virtuálneho obrazu používateľ Virtuálny (syntetizovaný) objekt súradnice pozície kamery Výstupný obraz zmiešanej reality Renderovanie grafiky (výpočet výslednej virtuálnej grafickej scény) súradnicový systém virtuálnej scény 48

49 Príklady zmiešanej reality 49

50 3D skenovanie (a) (b) (c) (d) (e) (a) (b) (c) 50

51 3D/stereo zobrazovanie Stereoskopia a autostereoskopia Anaglyf 3D a volumetrické displeje Holografia 51

52 3D tlač 52

53 3D tlač 53

54 Príklady aplikácií Virtuálne nukleónové jadrá 54

55 Príklady aplikácií Východoslovenské múzeum 55

56 Príklady aplikácií Virtuálny šofér 56

57 Príklady aplikácií Virtuálna katedrála 57

58 Príklady aplikácií Hlavná ulica v Košiciach 58

59 Príklady aplikácií Hlavná ulica v Košiciach (štátne divadlo) 59

60 Príklady aplikácií Areál TU v Košiciach 60

61 Príklady aplikácií Spišský hrad Drôtový model Polygonálny model bez textúr Farebný polygonálny model Polygonálny model s textúrami 61

62 Príklady aplikácií Spišský hrad (fotografie a model) 62

63 Príklady aplikácií Fotorealistická vizualizácia priestorov KPI 63

64 Príklady aplikácií Fotorealistická vizualizácia priestorov KPI 64

65 Príklad aplikácií (AR) 65

66 Príklad aplikácií (AR) 66

67 Príklad aplikácií (Interaktívna školská lavica) 67

68 Príklad aplikácií Práca s VR systémom (LIRKIS KPI) 68

69 Experimentálne pracovisko MR (AR, KPI FEI) 69

70 Experimentálne pracovisko MR (AR, KPI FEI) KPI FEI TU Košice reálny stav UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita vnem (pohľad) pozorovateľa 70

71 Experimentálne pracovisko MR (AR, KPI FEI) Virtuálne pracovisko v modelovacom prostredí Tecnomatix JACK 7.1 (SIEMENS, vizual KPI FEI TU Košice) Znázornenie tréningového procesu pomocou dátovej prilby a snímača v parciálnej úlohe uchopenie telesa (hore) a pri KPI FEI TU Košice posúvaní vozíka s motorom (dolu) UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita vnem (pohľad) pozorovateľa 71

72 Experimentálne pracovisko MR (AR, KPI FEI) Virtuálne pracovisko pre dvoch používateľov (LIRKIS KPI FEI TU Košice) KPI FEI TU Košice UTV - Počítačová grafika a virtuálna realita 72

73 2015 KPI FEI TU Košice Ďakujem za pozornosť Otázky? hornad.fei.tuke.sk Predmety Počítačová grafika