Počítačová grafika
                                           letem světem

                                        © 2002 Jiří Sochor

                                            FI MU Brno





sochor@fi.muni.cz

http://www.fi.muni.cz/usr/sochor/

Analýza a syntéza obrazu

Vizualizace

Problémové okruhy

                                      Něco o tvrdém vybavení

Displeje

u první displeje byly vektorové displeje

–      Electronový paprsek sledoval čáry

–      obraz definován sekvencí koncových bodů

–      drátové zobrazení, bez vypňování

Displeje

u Rastrové displeje

–      elektronový paprsek prochází po pravidelné dráze

–      obraz je 2D pole pixelů

–      rychlé, chyby vzorkování



u Každý pixel má b bitů pro barvu

–      B&W: 1 bit

–      Základní barvy: 8, 15, 16, 24 bits

–      špičkové: 96 bits

Displeje

Displeje a obrazové paměti

u rastrový obraz je uložen v paměti jako 2D pole pixelů – obrazová paměť

u barva každého pixelu určuje intenzitu paprsku

u Video hardware čte obrazovou paměť
60+ Hz

–      změny v obrazové paměti se ukazují na obrazovce => dvojitá paměť

–      přepnutí pamětí po dokončení kresby snímku

Displeje a obrazové paměti

Běžná pracovní stanice

Nové architektury

Nové architektury

                                        Rastrové algoritmy

Rastrová konverze úseček

u nalezni pixely nejblíže k ideální přímce







u předpoklad ½m½ £ 1:
 vybarvi 1 pixel ve sloupci,
 zpracuj inkrementálně

u if  m1 :   x  y.



Rastrová konverze úseček

Rastrová konverze úseček

u neefektivní metoda: výpočet round(y) pro každé celé x

u inkrementální výpočet:







u pouze celočíselná aritmetika: Bresenhamův algoritmus

Rastrová konverze úseček

Výplň ploch

u obarvení všech pixelů v dané oblasti

u oblast =

–      všechny pixely určité barvy (pixelově definovaná oblast)

–      všechny pixely v určité vzdálenosti od pixelu

–      všechny pixely uvnitř daného polygonu (oblast definovaná polygonem)

Pixelově definované oblasti

Výplň polygonální oblasti

Výplň polygonální oblasti

                                  Souřadné systémy a transformace

Jak něco nakreslit ?

u  plotPixel(289,190)

u  plotPixel(320,128)

u  plotPixel(239,67)

u  plotPixel(194,101)

u  plotPixel(129,83)

u  plotPixel(75,73)

u  plotPixel(74,74)

u  plotPixel(20,10)

Proč je to nepraktické ?

u Souřadnice jsou vyjádřeny v prostoru obrazovky, ale objekty žijí v (3D) ve světovém prostoru

u Při změně velikosti okna musíme změnit souřadnice kreslených objektů

u Chceme rozlišit mezi:

–      hodnotami, které popisují geometrické objekty

–      hodnotami potřebnými pro nakreslení těchto objektů na obrazovku



Okno světa & okno pohledu

Souřadné systémy: 2D & 3D

                                              OpenGL

3D proudová architektura SW+HW

OpenGL

Rysy

Co dělá GL?

Co GL nedělá?

Další pohled na OpenGL

Jednoduchý program

Knihovny související s OpenGL

Knihovny související s OpenGL

OpenGL a související API

Paměti

Kresba trojúhelníků

                                               Barva

Co je barva?

u Světlo = elektromagnetické vlny

u viditelné spektrum

–      400 nm (fialová) à 700 nm (červená)

Lidské oko

Lidské oko: sítnice

CIE diagram barev

Gamut (rozsah) barevného monitoru

u Ne všechny barvy lze zobrazit na CRT monitoru



u barevné souřadnice každého luminoforu se u jednotlivých monitorů liší

RGB

u nejběžnější v grafice: přímé mapování na CRT

u aditivní barevný systém

CMY (cyan-magenta-yellow)

u subtraktivní barevný systém

–      pro získání výsledné barvy odečítá barvy od bílé

–      (r g b) = (1 1 1) – (c m y)

Barevné iluze

Barevné iluze

                                        Modely a modelování

Parametrické křivky a plochy

u Bezierova křivka

Polygony

u Objekty ve 3D jsou zhotoveny z polygonů











u Polygony jsou základním stavebním blokem v grafice !

Tažené (extrudované) povrchy

u Hranol











u Povrchová síť trojúhelníků sestrojena automaticky

Tažené (extrudované) povrchy

u obecnější: pohyb profilu podél křivky

Tažené (extrudované) povrchy

Rotační povrchy

u definice profilu

u rotace profilu okolo osy

Rotační povrchy

u obdoba tažených povrchů

Konstruktivní geometrie těles - CSG

u Máme objekty popsané pomocí polygonů



u Jak zkombinujeme objekty ?



u Boolské operace:

–      součet, sjednocení

–      průnik

–      rozdíl

CSG

CSG

u řeší se pomocí ořezávání polygonů

u netriviální řešení okrajových případů

CSG

Objemové modelování

u prostor rozdělen na “voxely”

u označení každého voxelu:

–      Patří k objektu ?

–      Barva ?

Objemové modelování

u Aplikace: projekt „viditelný člověk“

u nasnímané řezy mrtvého těla

–      každý řez je polem voxelů

–      celé tělo je popsáno souborem objemových dat

Projekt „Viditelný člověk“

                                          Volné tvarování

Volné deformace-Sederberg&Parry

FFD - Cracken&Joy

Deformace deCasteljau

                                          Světla a stíny

Klasická zobrazovací metoda

Zpětné sledování paprsku
(eye ray-tracing)

Zpětné sledování paprsku

Distribuované sledování paprsku

Jednoduchá dvoukroková metoda

Tříkrokova metoda (zahrnutí LS^*D cest)

                                            Vizualizace

„průmyslové aplikace“

Vizualizace v lékařství

Vědecké aplikace

Vizualizace v chemii

Model rozptylu světla

                                           Antialiasing

Antialiasing

u Alias vzniká díky diskrétní povaze obrazovky (rastrových zařízení):

u   aliasové jevy mohou být redukovány   pomocí

–       zvýšeného rozlišení

–       předfiltrováním

–       postfiltrováním

Antialiasing

Vzorkování

Alias - zobrazení

Alias – zubaté profily

Alias – ztráta detailu

Alias – rozpad tvaru

Filtrování

Ukázka – bez antialiasing

Ukázka – předfiltrování

Ukázka – bez antialiasing

Ukázka – předfiltrování