Vorlesung „Computergraphik I“ S. Müllercg/ws1213/cg1/vorlesung/01... · Präsentation von...

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

Einführung

Vorlesung„Computergraphik I“

S. Müller

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 2 -

Wer bin ich? Geboren 1965 in Bayreuth Grundstudium in Erlangen Hauptstudium in Darmstadt (Dipl.-Inform.) Diplomarbeit in Manchester 1991 Danach wissenschaftlicher Mitarbeiter beim

Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung in Darmstadt

Promotion 1996 über Lichtsimulation Leiter der Abteilung „Visualisierung und Virtuelle

Realität“, Fraunhofer-IGD Seit Juli 2002 Leiter der AG Computergraphik

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 3 -

Computergraphik

Anwendungen

3D InteraktionMixed Reality Continuum

Kollaborative Umgebungen

3D VisualisierungBildsynthese

Echtzeit-Rendering

SimulationObjektverhaltenAutorensysteme

Modellierung

… 3D-Bildsynthese in interaktiven, immersiven und augmentierten Umgebungen…

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 4 -

Themen

Scientific Visualization Virtual Reality Augmented Reality

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

3D Visualisierung

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 6 -

3D-Visualisierung Viel passiert, speziell durch die enormen

Entwicklungen im Bereich der Graphikkarten Echtzeitdarstellung Beleuchtungssimulation

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 7 -

Beispiele

FlyTerrainWater.exe WATER.exe

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 8 -

Polygonales Rendering

+

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 9 -Jensen, Lightscape

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 10 -

Radiosity

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 11 -

Monte-Carlo Raytracing

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

Augenblick (Oliver Abert)

S. Müller - 12 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 13 -

VR: Simulation Keyframes Partikel Feder-Masse-Systeme

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

Interaktion

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 15 -

Bill Buxton Test: Zeichnen Sie einen Computer in 15 Sek.

Ca. 80% der Fälle Monitor Tastatur Maus

Interessant: kein „Computer“ auf dem

Bild Benutzer nehmen

„Computer“ hauptsächlich über Ein- und Ausgabe wahr

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 16 -

Moore´s Law Doppelte Performanz

alle 1? Monate

Was es uns wirklich sagt: in der Zukunft sind

Computer schneller leistungsfähiger billiger

als in der Vergangenheit

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 17 -

aber ...

die Kapazität des menschlichen Gehirns ist konstant!

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 18 -

Betrachtung 1:Standard User Interface: kaum verändert seit 25 Jahren

Was sich nicht/nur kaum verändert hat: WIMP

Windows Icons Menues Pointer

Bildauflösung (heute: 1280x1024)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 19 -

Standard User Interface...Technik für den Menschen mit

einem Auge einem Ohr ohne Mund ohne Körper einer Hand einem Finger

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 20 -

Betrachtung 2: Mobilität Mobile Endgeräte

Faustformel: Heute auf dem

Desktop in 2 Jahren auf dem

Laptop in 4 Jahren auf dem

wearable Erste Laptops mit 3D-

Graphik bereits verfügbar (GeForce2 Go)

In 2 Jahren auch auf für Wearables?

Mobile Datenanbindung Prognose sagen:

ab dem Jahr 2006 wird es mehr mobile Internetanschüsse geben als über Festnetz

2010 übersteigt die Zahl der mobilen Internetnutzer diejenige der Mobiltelefonierer von heute

In Verbindung mit UMTS wird eine Kamera als Standardkomponente von mobilen Telefonen erwartet

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 21 -

Betrachtung 3:3D Graphik schlägt Moore‘s Law

Performanz der low-end HW hat aufgeholt

3D Graphik ist Teil der Standardkonfiguration eines PCs

3D Graphik ist damit für die breite Masse verfügbar

Aber: es gibt kaum Anwendungen

1989 1991 1993 1995 1997 1999

30

25

20

15

10

5

0

Workstations PCs

Triangle Throughput Rates (MTri/Sec)

VGX RERE2

iRiR2 iR3

Voodoo1

GF

GF2

GF3

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

Virtuelle Realität

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 23 -

VR Technology

Wird heute kaum mehr benutzt…

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 24 -

General Trend: IPT (immersive projection technology)

Workbench

Stereo projection

CAVE

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 25 -

Einbaumontagesimulation (EMS)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 26 -

3. Gen.: interaktive Geschichten

Virtuelles Ozeanarium, EXPO 98

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 27 -

Cultural heritage

Dunhuang caves, China

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 28 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 29 -

Interaktives Planetarium

Hipparcos-Daten: 100.000 Sterne, 1.000.000 Sterne als Hintergrund

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 30 -

Dom von Siena (EXPO 2000)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 31 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU

Augmented Reality

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 33 -

Augmented Reality („Erweiterte Realität“) ... steht für: Präsentation von Informationen

im Sichtfeld des Betrachters und in Überlagerung mit der Realität

Eine Kombination aus: Semi-transparent displays Tracking wearable Computer und

Telekommunikation Interaktion mit realen und

virtuellen Gegenständen und Informationen

eine Technologie, die sich weltweit im Pionierstadium befindet,

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 34 -

Augmented Reality

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 35 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 36 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 37 -

AR-Spiele

Aqua Gauntlet (MRL Japan) AR2 Hockey (MRL Japan)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 38 -

Computergraphik

Anwendungen

3D InteraktionMixed Reality Continuum

Kollaborative Umgebungen

3D VisualisierungBildsynthese

Echtzeit-Rendering

SimulationObjektverhaltenAutorensysteme

Modellierung

… 3D-Bildsynthese in interaktiven, immersiven und augmentierten Umgebungen…

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 39 -

CG-Labor (Mixed Reality)8,48 m x 5,93 m

Fenster

Tür

Fenster

GLA

S-S

chra

nk(1

21x4

5)

Tisch(179x90)

Tisch(179x90)

Tisch(179x90)

Tisch(179x90)

Tisch(179x90)

DVD-PlayerVideo-Rek.

MonitorScanner

413 114 176 114 31

254

114

225

560 19594

19

Fenster

(Raumhöhe: 297)

(Höhe von Boden: 110)

Abgehängte Dec ke

Breite: 159H

öhe von Decke : 43

Maßstab: 1 cm = 0,5 m

Drucker

Kas

ten

(80x

44)

P9 P8 P7 P6 P5

P10

Videoecke

M1

M2

M3

M4

P1

P2

P3

P4

ev. schmälerev. schmäler

(ev. Kühlung)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 40 -

Vorlesung (PLAN) Jedes Semester

Eine Pflichtveranstaltung CG1 und CG2/3 jedes Semester im Wechsel

Eine Wahlpflichtveranstaltung• Virtuelle Realität und Augmented Reality V2 (ECTS 3)• Medizinische Visualisierung (ECTS 3)• Animation und Simulation (ECTS 6) • Photorealistische Computergraphik V3+1 (ECTS 6)• Echtzeit-Rendering (ECTS 6)

Ein Seminar (Winter: Bachelor, Sommer: Master) Ein Praktikum (Winter: Master, Sommer: Bachelor)

Programmierbeispiele: C und C++

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 41 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 42 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 43 -

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 44 -

Übersicht zur Vorlesung Mathematische Grundlagen der Computergraphik Grundlagen und Algorithmen der Rasterisierung Clipping Scan Konvertierung Transformationsmatrizen Orthographische und perspektivische Transformation Licht, Materialien, Beleuchtung und Texturen Graphik-Pipeline von OpenGL Graphische Datenstrukturen Bézier-Kurven und Splines Raytracing

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 45 -

18.10.12 1 Einführung OpenGL 10.01.13 15 Texturen (Ü8)25.10.12 2 Mathe Grundlagen C++ 1 (Ü1) 11.01.13 16 Advanced OpenGL25.10.12 3 Rasterisierung C++ 2 (Ü2) 17.01.13 17 Kurven (Ü9)01.11.12 4 Linien C++ 3 (Ü2) 18.01.13 18 Splines (Ü9)01.11.12 (Allerheiligen) 24.01.13 19 Ray Tracing08.11.12 5 Clipping (Ü3) 25.01.13 20 Ray Tracing 208.11.12 6. Poly Clipping (Ü4) 31.01.13 Wiederholung15.11.12 7 Scan Konvertierung 01.02.13 -15.11.12 8 Transformationen (Ü5) 07.02.13 -22.11.12 9 Transform & OpenGL (Ü5) 08.02.13 Klausur22.11.12 10 View (Ü6)29.11.12 11 Perspektive (Ü6)29.11.12 12 OpenGL Pipeline (Ü7)06.12.12 13 Licht & Material (Ü7)06.12.12 14 Beleuchtung (Ü7)07.12.12 Weihnachtsvorlesung

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 46 -

Organisatorisches Vorlesung

Pflichtfach CV, 7 ECTS Punkte Übungen (2 stündig)

Betreute Übungsgruppen (Fragen und vor allem prakt. Aufgaben)

Papier- und Programmieraufgaben, Beispielprogramme in C/C++

Schein (CG1) Klausur (voraussichtlich 8. Febr. 2013) Voraussetzung: 50% der theoretischen und 50% der

praktischen Punkte der Übungsaufgaben Web-Page http://www.uni-koblenz.de/~cg/

Folien

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 47 -

Organisatorisches Praktikum CV-Programmierung (3 ECTS)

In den CG1-Übungen sind praktische Aufgaben enthalten Am Ende gibt es einen zusätzlichen Test

(„Programmierführerschein“) Hierbei werden konkrete Programmieraufgaben umzusetzen

sein, mit lauffähiger Implementierung (hierfür wird die Programmierumgebung Eclipse (Linux) während der Klausur zur Verfügung stehen).

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 48 -

Literatur OpenGL Programming

Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1.2 (3rd Edition) by Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis, Dave Shreiner, Addison-Wesley, 1999

Peter Shirley: Fundamentals of Computer Graphics, A K Peters LTD, Second Edition 2005

J.L. Encarnação, W. Strasser, R. Klein: Graphische Datenverarbeitung 1 und 2

J. Foley, A. van Dam, S. Feiner, J. Hughes: Computer Graphics: Principles and Practice, 2nd Edition

Alan Watt: 3D Computer Graphics, Addison-Wesley, 3rd edition

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 49 -

Eine lohnende Anschaffung: Peter Shirley: Fundamentals

of Computer Graphics, A K Peters LTD, Second Edition 2005

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 50 -

Übungen Diana Röttger (droettger@uni-koblenz.de) Dominik Grüntjens (dominik.gruentjens@uni-koblenz.de) Gerrit Lochmann (lochmann@uni-koblenz.de)

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 51 -

Übungen Übungen

Auf CG1 Webseite: Anleitungen für verschiedene Compiler (Visual Studio 2008, MacOS (Xcode), Linux (Mesa), Eclipse)

Einführung im Rechnerraum: 22.10. 14-16 Uhr (F112, F113)

Morgen 1. Übungsblatt (ohne Abgabe) Sonst: Ausgabe am Freitag, Abgabe immer Freitags

darauf 12:00 Uhr

U N I V E R S I T Ä TKOBLENZ · LANDAU S. Müller - 52 -

Übungen Abgabe der Übungsblätter und Ausgabe neues

Übungsblatt jeweils Freitags (12:00 Uhr) Abgabe Programmieraufgaben (s. Übungen) Abgabe in Gruppen bis 3 Personen