Γραφικά με Η/Υ Εισαγωγή

Πληροφορίες μαθήματος (1/4) Πληροφορίες μαθήματος (1/4) Υπεύθυνος μαθήματος: Μανιτσάρης Αθανάσιος, Καθηγητής Διδάσκοντες: Μανιτσάρης Αθανάσιος: email: manits@uom.gr Μαυρίδης Ιωάννης: email: mavridis@uom.gr Δημητρόπουλος Κοσμάς: Εργαστήρια Α & Β email: Ωρολόγιο πρόγραμμα μαθήματος: Τμήμα Α (Α-Κ): Τρίτη 5 00 – 7 00 μ.μ Εργαστήριο: Παρασκευή 5 – 7 μ.μ Τμήμα Β (Λ-Ω): Τρίτη 7 00 – 9 00 μ.μ Εργαστήριο: Παρασκευή 7 – 9 μ.μ πολυμέσων Κοινός παρονοµαστής όλων αυτών των δραστηριοτήτων είναι η διαχείριση πολυμεσικής πληροφορίας

Πληροφορίες μαθήματος (2/4) Πληροφορίες μαθήματος (2/4) Υλικό μαθήματος: Γραφικά: Αρχές & Αλγόριθμοι Συγγραφέας: Θ. Θεοχάρης, Α. Μπεμ Γραφικά και οπτικοποίηση: Αρχές και αλγόριθμοι Συγγραφέας: Θεοχάρης, Παπαιωάννου, Πλατής Κοινός παρονοµαστής όλων αυτών των δραστηριοτήτων είναι η διαχείριση πολυμεσικής πληροφορίας

Πληροφορίες μαθήματος (3/4) Πληροφορίες μαθήματος (3/4) Θεωρία: Διαλέξεις μαθήματος Φροντιστήριο: Ασκήσεις εμπέδωσης ύλης - εργασίες Εργαστήριο: Πρακτικές εφαρμογές - εργασίες πολυμέσων Κοινός παρονοµαστής όλων αυτών των δραστηριοτήτων είναι η διαχείριση πολυμεσικής πληροφορίας

Πληροφορίες μαθήματος (Ιστότοπος) (4/4) http://asea.multimedia.uom.gr/

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Γραφικά Η/Υ & Επεξεργασία εικόνας Τα Γραφικά Υπολογιστών (computer graphics) δεν θα πρέπει να συγχέονται με την Επεξεργασία Εικόνας (image processing) παρότι συχνά χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Αντικείμενο μαθήματος Η σύνθεση (δημιουργία) & η απεικόνιση γραφικής πληροφορίας (περιεχόμενο εικόνας) σε πλεγματική οθόνη υπολογιστή Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Σύνθεση & Απεικόνιση γραφικής πληροφορίας Γραφική πληροφορία (περιεχόμενο εικόνας) Εικόνα (πραγματικό κόσμο) Σύνθεση Ανάλυση πλεγματική οθόνη εικόνα μετάθεση μετάθεση & κλιμάκωση ανάλυση Κόμβοι φύλλα Καρφί Κεφάλι (κύλινδρος) Σώμα Κόμβος ρίζα Άξονας Άκρο (κώνος) μετάθεση & περιστροφή γραφική πληροφορία σύνθεση & απεικόνιση Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ 8

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Στόχοι μαθήματος Θεωρία: Παρουσίαση βασικών αλγορίθμων απεικόνισης δισδιάστατης γραφικής πληροφορίας Εισαγωγή στις δομές και μεθόδους περιγραφής τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας Παρουσίαση των βασικών αλγορίθμων τρισδιάστατης απεικόνισης και φωτορεαλισμού Εργαστήριο: Εισαγωγή στις τεχνολογίες παραγωγής συνθετικής εικόνας & στην θεωρία χρωμάτων. Εξοικείωση με την διαχείριση δισδιάστατης & τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας (προγραμματισμό σε VRML & εισαγωγή στο 3D Studio Max) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Περιεχόμενο μαθήματος Τεχνολογίες παραγωγής συνθετικής εικόνας Αλγόριθμοι σχεδίασης ευθείας, κύκλου & έλλειψης Σχεδίαση δισδιάστατων γραφικών (εισαγωγή στο 3D Studio Max) Αποκοπή Δισδιάστατοι & Τρισδιάστατοι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί Αλγόριθμοι γεμίσματος συμπαγών περιοχών Αναπαράσταση τρισδιάστατων μοντέλων (σε δισδιάστατη επιφάνεια) Σχεδίαση τρισδιάστατων γραφικών (3D Studio Max) Απαλοιφή μη ορατών ακμών & επιφανειών Μοντέλο φωτισμού & σκίασης Προγραμματισμός γραφικών με VRML & JAVA Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Βαθμολογία Βιβλιογραφική εργασία (2 ατόμων): 15% Βιβλιογραφική εργασία (2 ατόμων): 15% Εργαστηριακή εργασία (2 ατόμων): 15% Τελική εξέταση (γραπτή): 70% (με την προϋπόθεση ότι ο βαθμός της τελικής εξέτασης είναι τουλάχιστον πέντε «5») Ημερομηνία παράδοσης εργασιών, βιβλιογραφικής & εργαστηριακής, η 15η /12/2010. Για κάθε μέρα καθυστέρησης: μείωση βαθμολογίας κατά 0,5 μονάδες

Γραφικά με Η/Υ (εργαστήριο) 12

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Εισαγωγή στις τεχνολογίες παραγωγής (δημιουργίας) εικόνας & στην θεωρία χρωμάτων Εξοικείωση με την διαχείριση δισδιάστατης & τρισδιάστατης γραφικής πληροφορίας: προγραμματισμός σε VRML & εισαγωγή στο 3D Studio Max Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας πλεγματική οθόνη γραφικό σύστημα απεικόνισης σάρωση πλεγματικής οθόνης Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Πλεγματική οθόνη) εικόνα πραγματικού κόσμου εικόνα πλεγματικής οθόνης σάρωση Πλεγματική οθόνη (Raster): δισδιάστατο πλέγμα από pixels Ανάλυση οθόνης (Resolution): είναι το γινόμενο των pixel που μπορούν να απεικονιστούν οριζόντια στην οθόνη επί τον αριθμό αυτών κατακόρυφα Μαυρόασπρη οθόνη: κάθε pixel μπορεί να είναι φωτεινό ή σκοτεινό. 1, pixel είναι φωτεινό 0, pixel είναι σκοτεινό Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Γραφικό σύστημα απεικόνισης ή κάρτα γραφικών) για την απεικόνιση (παρουσίαση) της εικόνας στην πλεγματική οθόνη, απαιτείται η παρεμβολή της κάρτας γραφικών. κάθε εικόνα, σύνολο από pixels, αποθηκεύεται στη μνήμη απεικόνισης. Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Τεχνολογία παραγωγής συνθετικής εικόνας (Σάρωση σημείων πλεγματικής οθόνης) Η διαδικασία απεικόνισης μιας εικόνας ή ενός αντικειμένου, σύνολο από pixels που βρίσκονται στην μνήμη απεικόνισης, καλείται μετατροπή σε σάρωση Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εισαγωγή στην θεωρία χρωμάτων Για την παραγωγή και απεικόνιση έγχρωμων εικόνων υψηλής φωτορεαλιστικότητας, στα σύγχρονα γραφικά συστήματα, σημαντικός παράγοντας είναι το χρώμα (χρωματική πληροφορία). η περιγραφή του χρώματος στον υπολογιστή βασίζεται: σε τρεις παραμέτρους (αναλογίες βασικών χρωμάτων R, G, B ) RGB χρωματικό μοντέλο R G B Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Διαχείριση γραφικής πληροφορίας (προγραμματισμός γραφικών με VRML) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Διαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max)   σχεδίασης και επεξεργασίας 2D & 3D αντικειμένων διαχείρισης των παραμέτρων τους  για την μετατροπή τους σε εύπλαστα αντικείμενα και εισαγωγή και επεξεργασία υλικών φωτισμού & σκίασης για τη δημιουργία φωτορεαλιστικών απεικονίσεων. Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Διαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max: περιεχόμενα) Βασικές αρχές γεωμετρίας και στερεομετρίας Εισαγωγή στην δισδιάστατη & τρισδιάστατη σχεδίαση Βασικές μέθοδοι μοντελοποίησης (Loft, Lathe, Extrude) Μοντελοποίηση με πολύγωνα Modifiers Κάμερα Φωτισμός Βασικές αρχές υλικών Φωτορεαλισμός Εξαγωγή αποτελέσματος (Rendering) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Διαχείριση γραφικής πληροφορίας (Εισαγωγή στο 3D Studio Max: περιβάλλον) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Πεδία εφαρμογών Σχεδίαση γραφικών διεπαφών (GUI) Συστήματα πολυμέσων & Εικονική πραγματικότητα Σχεδίαση (CAD): Αρχιτεκτονική, VLSI Γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών (GIS) Προσομοιώσεις (π.χ. πτήσεως) Συνθετικές ταινίες & διαφήμιση Ιατρικές εφαρμογές Οπτικοποίηση πληροφοριών Τέχνη Παιχνίδια κ.λ.π Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Γραφικά με Η/Υ (θεωρία) 24

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Θεωρία Παρουσίαση βασικών αλγορίθμων απεικόνισης 2D γραφικής πληροφορίας Εισαγωγή στις δομές και μεθόδους περιγραφής 3D γραφικής πληροφορίας Παρουσίαση των βασικών αλγορίθμων 3D απεικόνισης και φωτορεαλισμού Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Γενικές απαιτήσεις για την σύνθεση & την απεικόνιση γραφικής πληροφορίας σε πλεγματική οθόνη υπολογιστή απαιτείται: αφενός αποτελεσματικότητα ρεαλισμός ταχύτητα κ.ά. αφετέρου μικρή κατανάλωση πόρων η/υ υπολογιστικό κόστος κατανάλωση μνήμης Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

γεωμετρία αντικειμένου πίνακας συντεταγμένων των κορυφών Περιγραφή αντικειμένου 2D καρτεσιανό σύστημα πραγματικές συντεταγμένες σύστημα οθόνης ακέραιες συντεταγμένες y γεωμετρία αντικειμένου πίνακας συντεταγμένων των κορυφών B (3,5) Γ (4,2) A (1,1) x φυσικό σύστημα συντεταγμένων oμογενές σύστημα συντεταγμένων Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Σχεδίαση αντικειμένου 2D (σε πλεγματική οθόνη) βασικά γεωμετρικά σχήματα (ευθεία, κύκλος, έλλειψη) & Αλγόριθμοι σχεδίασης ευθείας, κύκλου & έλλειψης Εξίσωσης Επαναληπτικός (αυξητικός) DDA Bresenham (αυξητικός) σάρωσης ü πολλαπλασιασμοί ή διαιρέσεις (αρκετοί) (ελάχιστοι) - στρογγυλοποιήσεις μεταβλητή απόφασης Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Απεικόνιση σημείου: (από παράθυρο σε περιοχή παρατήρησης) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Αποκοπή έλεγχος ορατότητας αλγόριθμος Gohen-Sutherland υπολογισμός των σημείων τομής από τις πλευρές του παραθύρου αποκοπής & τις παραμετρικές εξισώσεις της ευθείας εναλλακτική μέθοδος: υποδιαίρεση μεσαίων σημείων απόρριψη παράθυρο αποκοπής 1001 1000 1010 0001 0000 0010 0101 0100 0110 xmin xmax ymin ymax Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Γεωμετρικοί μετασχηματισμοί (2D & 3D) ανάγκη επανασχεδίασης ενός αντικειμένου με διαφορετικό: μέγεθος, θέση, κ.λ.π γεωμετρικός μετασχηματισμός είναι ένας πίνακας Μ που επιδρά πάνω στον αρχικό πίνακα P συντεταγμένων των κορυφών ενός αντικειμένου με σκοπό τον υπολογισμό του τελικού πίνακα P’ συντεταγμένων (επανασχεδίαση αντικειμένου): ήτοι P’ = M * P απλοί & σύνθετοι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί: μεταφορά, περιστροφή, κλιμάκωση & στρέβλωση, αντανάκλαση Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Γέμισμα συμπαγών περιοχών Αλγόριθμοι γεμίσματος: που στηρίζονται στη συνάφεια των pixels του εσωτερικού ενός πολυγώνου Αλγόριθμοι σάρωσης: που στηρίζονται στη γεωμετρική περιγραφή της περιμέτρου ενός πολυγώνου Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Περιγραφή αντικειμένου 3D (μοντελοποίηση) η μοντελοποίηση (περιγραφή) τρισδιάστατων αντικειμένων (παραλληλεπίπεδο, κύβος, πυραμίδα, σφαίρα, κ.λ.π) γίνεται με βάση τρεις κύριες προσεγγίσεις: τα σκελετοπλέγματα (εξωτερικό περίγραμμα) αποτελείται από πολύγωνα παρέχει πληροφορίες για το εξωτερικό σχήμα του αντικειμένου υλοποιείται με την βοήθεια της γεωμετρίας και τοπολογίας τα μοντέλα επιφάνειας (επιφάνεια) τα στερεά μοντέλα (εσωτερικό) η οργάνωση της γραφικής πληροφορίας, για καλύτερη απόδοση των γραφικών, γίνεται μέσω σχεσιακών βάσεων δεδομένων εξετάζοντας διάφορα σενάρια με στατικούς ή συνδετικούς πίνακες ή συνδεδεμένες λίστες Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Σχεδίαση αντικειμένων 3D (σε πλεγματική οθόνη) επίπεδες προβολές μετασχηματισμοί προβολής παρατήρησης προοπτικός Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Επίπεδες προβολές προβολή των τρισδιάστατων αντικειμένων πάνω στη δισδιάστατη επιφάνεια των συσκευών απεικόνισης. επίπεδη προβολή διακρίνονται με βάση τη σχέση του κέντρου παρατήρησης (d) και του επιπέδου προβολής (οθόνη). προοπτική προβολή η απόσταση του κέντρου παρατήρησης (d) από το επίπεδο προβολής (οθόνη). είναι πεπερασμένη παράλληλη προβολή η απόσταση μεταξύ τους είναι άπειρη 3D 2D d Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Μετασχηματισμοί προβολής (ενός σημείου φυγής) Υποθέσεις: ακίνητο κέντρο παρατήρησης - κινούμενο αντικείμενο κινούμενο κέντρο παρατήρησης - ακίνητο αντικείμενο 3D 2D έστω P (Xw, Yw, Zw) φυσικό σύστημα & (Xe, Ye, Ze ) το σύστημα παρατήρησης V μετασχηματισμός παρατήρησης ( Xe, Ye, Ze ) = ( Xw, Yw, Zw) * V προοπτικός μετασχηματισμός Xs = (Xe/Ze) * d Ys = (Ye/Ze) * d P’ ( Xs, Ys) σύστημα οθόνης d Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ Φωτορεαλισμός Τα αντικείμενα που περιγράφονται από σκελετοπλέγματα δεν είναι ρεαλιστικά Χρειάζονται παρεμβάσεις, όπως: απαλοιφή κρυμμένων γραμμών και επιφανειών δημιουργία αίσθησης βάθους με χρώματα μικρότερης έντασης (φωτεινότητας) ή θόλωση μακρινών αντικειμένων (σκίαση) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Απαλοιφή κρυμμένων γραμμών & επιφανειών Σε ένα σκελετόπλεγμα η απαλοιφή (έλεγχος ορατότητας μιας γραμμής ή επιφάνειας) έχει μεγάλη σημασία για την ρεαλιστική απόδοση του. Αλγόριθμοι χώρου αντικειμένου (υπολογισμοί σε φυσικές συντεταγμένες) Αλγόριθμοι συσκευής (υπολογισμοί σε συντεταγμένες συσκευής “pixels”) Υπολογισμός εξωτερικού γινομένου: Ν =V1 V2 Υπολογισμός διανύσματος παρατήρησης V Υπολογισμός εσωτερικού γινομένου V*N Έλεγχος ορατότητας επιφάνειας (έδρας) Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ

Ένα απλό μοντέλο φωτισμού για την ρεαλιστική παράσταση γραφικών χρειάζονται τα εξής: ένα μοντέλο φωτισμού (απλοποιημένη αναπαράσταση των φυσικών νόμων) αλγόριθμος φωτισμού (υλοποίηση του μοντέλου) ένα απλό μοντέλο φωτισμού (Phong) λαμβάνει υπόψη του τον γραμμικό συνδυασμό των παρακάτω τριών συνιστωσών (διαδικασία χρονοβόρα για αντικείμενα με πολλές επιφάνειες): της έντασης Id της διάχυτης ανάκλασης της έντασης Is της κατοπτρικής ανάκλαση & της έντασης Iα του έμμεσου φωτισμού (περιβάλλον φως) οι αλγόριθμοι φωτισμού είναι: σταθερού φωτισμού Gouraud Phong περιγράφει: την γραφική πληροφορία που εισάγεται & εξάγεται και τις υποθέσεις που θα χρησιμοποιήσουμε για να υπολογίσουμε την ένταση (φωτισμό) για κάθε pixel μιας επιφάνειας ενός αντικειμένου Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμέσων & Γραφικών, ΤΕΠ - ΠΜ - Γραφικά με Η/Υ