WPROWADZENIE DO GRAFIKI KOMPUTEROWEJ - Zespół … · Początki grafiki komputerowej (x, y) t1 t2 fotoelement do komputera x = fx(t2-t1) ... a następnie usunięto z obrazu elementy

1

Jacek Jarnicki Jacek Jarnicki -- Instytut Cybernetyki Technicznej Politechniki WrocInstytut Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocłławskiejawskiej

1.1. UkUkłład przedmiotuad przedmiotu

semestr VI semestr VI -- 2020020200

2. 2. LiteraturaLiteratura•• J. D. J. D. FoleyFoley, A. , A. vanvan DammDamm i inni: i inni: Wprowadzenie do grafikiWprowadzenie do grafiki

komputerowej. komputerowej. WNT Warszawa 1995.WNT Warszawa 1995.•• Grafika komputerowa metody i narzGrafika komputerowa metody i narzęędzia, dzia,

pod red. pod red. Jana Jana ZabrodzkiegoZabrodzkiego: WNT Warszawa 1994: WNT Warszawa 1994..

•• IEEE IEEE ComputerComputer GraphicsGraphics andand ApplicationApplication..

WPROWADZENIE DO GRAFIKI WPROWADZENIE DO GRAFIKI KOMPUTEROWEJKOMPUTEROWEJ

Dr inDr inżż. Jacek Jarnicki Doc. . Jacek Jarnicki Doc. PWrPWr..Instytut Cybernetyki TechnicznejInstytut Cybernetyki Technicznej

p. 226 Cp. 226 C-- 3, tel. 3, tel. [email protected]@ict.pwr.wroc.pl

www.zsk.ict.pwr.wroc.plwww.zsk.ict.pwr.wroc.pl


1. Pocz1. Począątki grafiki komputerowejtki grafiki komputerowej

2.2. Grafika komputerowa a dziedziny Grafika komputerowa a dziedziny pokrewnepokrewne

3.3. OmOmóówienie programu przedmiotu wienie programu przedmiotu

Plan wykPlan wykłładuadu

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://www.zsk.ict.pwr.wroc.pl

http://www.zsk.ict.pwr.wroc.pl

2


1.1. PoczPocząątki grafiki komputerowejtki grafiki komputerowej

(x, y)(x, y)

tt11

tt22

fotoelementfotoelement

do komputerado komputerax = fx = fxx(t(t22--tt11))y = fy = fyy(t(t22--tt11))

19611961-- SketchpadSketchpad –– Ivan Ivan SutherlandSutherland (MIT)(MIT) pierwszy system dopierwszy system dorysowania przy pomocy komputera z pirysowania przy pomocy komputera z pióórem rem śświetlnymwietlnym

tt11 -- chwila rozpoczchwila rozpoczęęciaciawybierania ramki obrazuwybierania ramki obrazu

tt22 -- chwila zarejestrowaniachwila zarejestrowaniaplamki przez czujnik piplamki przez czujnik pióórara


19611961-- SpacewarSpacewar –– SteveSteve Russell Russell (MIT) pierwsza gra video (MIT) pierwsza gra video (komputer PDP(komputer PDP--1)1)

1963 1963 -- SimulationSimulation ofof a a twotwo--girogiro gravitygravity attitudeattitude controlcontrol systemsystemE. E. ZajacZajac (Bell (Bell TelephoneTelephone), pierwszy film animowany ), pierwszy film animowany (komputer IBM 7090)(komputer IBM 7090)

3


WWektorowyektorowy system wysystem wyśświetlania obrazuwietlania obrazu

UUxx

UUyy

UUxx=U=U00coscosωωtt

UUyy=U=U00sinsinωωtt


CharakterystykaCharakterystyka systemsystemuu wektorowegowektorowego

rozdzielczorozdzielczośćść -- bardzobardzo dudużża (4096x4096),a (4096x4096),linielinie –– ciciąąggłłee, , cienkiecienkie,,zzłłoożżonoonośćść obrazuobrazu -- ograniczonaograniczona czasemczasem popośświatywiaty ekranuekranu,,wypewypełłnianienianie konturkonturóóww -- trudnetrudne,,kolorkolor -- brakbrak,,cenacena -- bardzobardzo wysokawysoka..

4


RastrowyRastrowy system wysystem wyśświetlania wietlania

VIDEOVIDEORAMRAM

SterownikSterownik

graficznygraficzny

MagistralaMagistrala

pikselpiksel

EkranEkran


CharakterystykaCharakterystyka systemsystemuu rastrowegorastrowego

rozdzielczorozdzielczośćść -- dudużża (a (np. 1280np. 1280xx10241024),),linie linie –– ””schodkoweschodkowe””,,zzłłoożżonoonośćść obrazu obrazu –– bardzo dubardzo dużżaa,,wypewypełłnianie konturnianie konturóów w -- łłatweatwe,,kolor kolor –– szeroko dostszeroko dostęępnypny,,cena cena -- niskaniska..

5


2.2. Grafika komputerowa a dziedziny Grafika komputerowa a dziedziny pokrewnepokrewne

Rozpoznawanie Rozpoznawanie obrazuobrazu

Grafika Grafika komputerowakomputerowa

Przetwarzanie Przetwarzanie obrazuobrazu

……..

sphere(xsphere(x00, y, y00, z, z00, r), r)

……

A=[aA=[aijij]]

opisopis

obrazobraz


3.3. Program przedmiotuProgram przedmiotu

1.1. WstWstęępp2.2. RasteryzacjaRasteryzacja (rysowanie odcinka i (rysowanie odcinka i łłuku)uku)3.3. WypeWypełłnianie konturnianie konturóóww4.4. Transformacje i ogTransformacje i ogóólna procedura wizualizacji 2lna procedura wizualizacji 2--DD5.5. Modele obiektModele obiektóów 3w 3--D (siatki wielobokD (siatki wielobokóów, rw, róównania)wnania)6.6. Modele obiektModele obiektóów 3w 3--D (krzywe D (krzywe HermitaHermita i i BezieraBeziera))7.7. Modele obiektModele obiektóów 3w 3--D (powierzchnie D (powierzchnie BezieraBeziera, , splinespline, NURBS), NURBS)8.8. RzutowanieRzutowanie9.9. Transformacje 3Transformacje 3--D, usuwanie elementD, usuwanie elementóów niewidocznychw niewidocznych10.10. Modele oModele ośświetlenia scen wietlenia scen 11.11. TeksturaTekstura12.12. Metoda Metoda śśledzenia promieni (ledzenia promieni (rayray tracingtracing))13.13. Metoda energetycznaMetoda energetyczna14.14. Podstawy teorii barw, modele liczbowe kolorPodstawy teorii barw, modele liczbowe koloróóww

6


WizualizacjaWizualizacja 22--DD

Narysowanie obrazu wyNarysowanie obrazu wyśświetlanego w systemie rastrowym.wietlanego w systemie rastrowym.

Obiekty opisane w geometrii pObiekty opisane w geometrii płłaszczyzny Raszczyzny R2 2 trzeba narysowatrzeba narysowaććna pna płłaszczyaszczyźźnie Nnie N22. . Nie zawsze jest to takie proste jak pozornie moNie zawsze jest to takie proste jak pozornie możże sie sięę wydawawydawaćć..

Proste w RProste w R2 2 przecinajprzecinająą sisięę w jednym punkcie a ich obrazy w jednym punkcie a ich obrazy narysowane w Nnarysowane w N22 w trzech punktach.w trzech punktach.


•• rysowanie dyskretnego obrazu odcinkarysowanie dyskretnego obrazu odcinka

•• rysowanie dyskretnego obrazu rysowanie dyskretnego obrazu łłuku okruku okręęgugu

•• wypewypełłnianie wielobokunianie wieloboku

•• wypewypełłnianie konturunianie konturu

•• transformacje elementarne w przestrzeni 2transformacje elementarne w przestrzeni 2--DD

•• wspwspóółłrzrzęędne jednorodnedne jednorodne

•• skskłładanie transformacji, transformacje zadanie transformacji, transformacje złłoożżoneone

•• ogogóólna procedura wizualizacji 2lna procedura wizualizacji 2--DD

•• algorytm obcinania (algorytm obcinania (clippingclipping))

Zagadnienia wizualizacji 2-D

7


WizualizacjaWizualizacja 33--DD

Wygenerowanie obrazu w maksymalnym stopniu Wygenerowanie obrazu w maksymalnym stopniu przypominajprzypominająącego to, co widzimy patrzcego to, co widzimy patrząąc na c na śświat realny.wiat realny.

•• budowa budowa modelmodeluu sceny 3sceny 3--DD

•• rzutowanierzutowanie

•• usuwanie elementusuwanie elementóów niewidocznychw niewidocznych

•• generacja efektgeneracja efektóów wynikajw wynikająących z ocych z ośświetleniawietlenia

•• teksturowanie teksturowanie

•• metody zaawansowane (metody zaawansowane (rayray tracingtracing, , radiosityradiosity))


•• modelemodele szkieletoweszkieletowe

•• modelemodele w postaci rw postaci róównawnańń matematycznychmatematycznych

•• konstrukcyjnakonstrukcyjna geometriageometria brybryłłowaowa ((solid solid modelingmodeling))

•• modele wykorzystujmodele wykorzystująące geometrice geometrięę frakatalnfrakatalnąą

•• inneinne modelemodele

ModeleModele obiektobiektóóww 33--DD

8


ModelModelee szkieletowszkieletowe (e (wirewire frameframe representationrepresentation))

VV11, V, V22, , …… -- wierzchowierzchołłki ki ((vertexvertex))

EE11, E, E22, , …… -- krawkrawęędzie dzie ((edgeedge))

SS11, S, S22, , …… -- śściany ciany ((polygonpolygon--surfacesurface))


( )( )( )v,ufz

1v,u0v,ufyv,ufx

z

y

x

=

≤≤==

( ) 0z,y,xf =

ModelModelee w postaci rw postaci róównawnańń analitycznychanalitycznych

•• rróównanie uwikwnanie uwikłłaneane

•• rróównania parametryczne (wnania parametryczne (powierzchniepowierzchnie BezieraBeziera, , BB--splinespline, , NURBS),NURBS),

9


Konstrukcyjna geometria bryKonstrukcyjna geometria bry łłowa owa (solid (solid modelingmodeling))


Modele Modele fraktalnefraktalne (przyk(przykłład)ad)

Kwaternion – ogólniejsza liczba zespolona.

)3()2()1()0( qkqjqiqq ⋅+⋅+⋅+=

daneqqqq 0c2j1j −+=+

10


RzutowanieRzutowanie ((projectionprojection))

Na ekranie pojawi siNa ekranie pojawi sięę siatka linii, odpowiadajsiatka linii, odpowiadająących wszystkim cych wszystkim krawkrawęędziom modelu szkieletowego.dziom modelu szkieletowego.

rzutnia (ekran)rzutnia (ekran)

obiektobiekt

obserwatorobserwatorRzut perspektywicznyRzut perspektywiczny


Usuwanie z obrazu elementUsuwanie z obrazu elementóów niewidocznychw niewidocznych

Wielobokom siatki modelu szkieletowego przypisano kolory Wielobokom siatki modelu szkieletowego przypisano kolory a nasta nastęępnie usunipnie usunięęto z obrazu elementy niewidoczne dla to z obrazu elementy niewidoczne dla obserwatora.obserwatora.

•• algorytm sortowania algorytm sortowania śściancian•• algorytm zalgorytm z--buforabufora

rzutnia rzutnia (ekran)(ekran)

obiektobiekt

obserwatorobserwator

11


OOśświetlenie sceny wietlenie sceny

Wprowadzono Wprowadzono źźrróóddłło o śświatwiatłła i przypisano wielobokom siatki a i przypisano wielobokom siatki charakterystyki charakterystyki śświetlne powierzchni.wietlne powierzchni.

•• powierzchnie matowepowierzchnie matowe•• powierzchnie lustrzane powierzchnie lustrzane •• obiekty przezroczysteobiekty przezroczyste

•• źźrróóddłła rozproszonea rozproszone•• źźrróóddłła punktowea punktowe



źźrróóddłło o śświatwiatłłaa


Tekstura Tekstura

Wielobokom siatki przypisano bardziej subtelne charakterystyki Wielobokom siatki przypisano bardziej subtelne charakterystyki powierzchni (teksturpowierzchni (teksturęę).).

•• generacja teksturygeneracja tekstury•• odwzorowania geometryczne teksturodwzorowania geometryczne tekstur•• filtracja teksturfiltracja tekstur




chropowatochropowatośćść

12


Metoda Metoda śśledzenia promieni (ledzenia promieni (rayray--tracingtracing))



obiekt 2obiekt 2

obiekt 1obiekt 1

ekranekran

pikselpiksel

( ( xxpp , , yypp ))

Dwa obiekty, kula i płaszczyzna

Documents

WPROWADZENIE DO GRAFIKI KOMPUTEROWEJ - Zespół … · Początki grafiki komputerowej (x, y) t1 t2 fotoelement do komputera x = fx(t2-t1) ... a następnie usunięto z obrazu elementy