Vývoj a směřování počítačové grafiky v posledních (45 ?) letech

J.Sochor

Brrr…..no ….

První interaktivní grafický systém

• Ivan Sutherland, Sketchpad, 1964

Video sketchpad-excerpt3.wmv

Matka všech prezentací

• 1968 - 9. prosince. Myš je poprvé představena na veřejnosti. Během události, která je často označována jako „Matka všech prezentací", představil Engelbart a jeho 17 kolegů ze SRI 90 minutovou demonstraci pro veřejnost na konferenci Fall Joint Computer Conference v San Franciscu. Kromě myši tento tým dále představil hypertext, objektové adresování, dynamické propojování souborů a spolupráci dvou lidí přes sdílenou obrazovku, kteří komunikovali slovem i obrazem přes síť.

• http://sloan.stanford.edu/mousesite/1968Demo.html

Cornell In Perspective

• Animace ukazující Johnson Art Museum, v kampusu Cornell University. Video sestavené v roce 1971, PŘED postavením budovy.

• Donal P.Greenberg – Computer Graphics Program

Nové oblasti počítačové grafiky

• advanced lightning • subdivision surfaces • point based graphics• volume rendering• collisions• haptics• (GPU & parallel graphics)

Budiž světlo …

Zobrazovací rovnice (VTIGRE)

„vacuum, time-invariant, gray radiance equation”

x

diLo(x,o)

N Li(x,i)

Le(x,o)

vlastní vyzařování

in

iiiioir

oeoo

dxLxf

xLxL

cos),(),(

),(),(

ini

Rozšířený fyzikální model pro opticky hustá prostředí

dfLLLds

dLiseat )(

Cesty šíření světla

LE

LE

LDE

LDSE

D

S

LD3SE

Klasická zobrazovací metoda (1972)

stínování s odlesky a vrženými stíny (např.Phongův model): L(D|S)E– jen přímé osvětlení, často se ignoruje výpočet

vržených stínů

L E

S

D

S

Klasická zobrazovací metoda

Sledování paprsku (1980)

Distribuované sledování paprsku (1984)

Radiozitní metoda (1984)

Jednoduchá dvoukroková metoda (1985)

S

Fotonové mapy (global, caustics)Jensen, 1994

LE

D

SD

Zrcadlové a transparentní …

Rekurzivně dělené povrchy• zobecnění B-spline povrchů• generují hladké objekty z libovolných řídících sítí v pravidelné části sítě shodné s B-spline povrchem

Co je rekurzivní dělení ?

• postupné zjemňování řídící sítě přidáváním nových bodů, hran a stěn (dělením původních)• výsledkem je aproximující hladký (limitní) povrch

Dělené povrchy

• Datově nenáročné řídící sítě bodů, hran, stěn (a objemů)

• Rekurzivní aplikací dělicích pravidel vytvářeny „dostatečně“ hladké křivky, pláty, tělesa

• GPU friendly !

Příklad: Geri‘s Game

Ukázky experimentů s pravidly

modifikace pravidel

Porovnání několika schémat

Aplikace Loop dělení pro vizualizaciCredits: F.Andres, B.Kozlíková,

Modelování pomocí deformací

Volné deformaceThomas W. Sederberg, Scott R. Parry: Free Form Deformation (FFD), 1986

Aplikace: animace, modelování, zpracování obrazu (Maya, 3D max, Softimage)

FFD - Cracken&Joy - ukázky

Sweep-based Freeform Deformation

Sweep-based Freeform Deformation

Implicitní povrchy

• Reálná funkce f (x,y,z)• klasifikuje body v prostoru• syntéza obrazu (někdy)

– uvnitř f > 0– vně f < 0– na povrchu f = 0

• CAGD: uvnitř f < 0, vně f > 0

f < 0 f > 0

f = 0

f < 0

f > 0

f = 0

Distanční povrchy

• koule: d(x, bod) – r• cylindr: d(x, přímka) – r• sfylindr: d(x, úsečka) – r• torus: d(x, kružnice) – r• obecný cylindr: d(x, křivka) – r• ofsetový povrch: d(x, povrch) – rd(x,A) = min {||x-y|| : y A

Bloby (kapky)

Složitější řídící struktury

např. kostra z úseček

a výpočetně jednodušší potenciálové funkce ...

Než se stádo podařilo zaměstnancům sehnat dohromady, stačil býček vběhnout do jízdní dráhy čtyřiačtyřicetiletému řidiči Seatu Ibiza.

Při srážce byl šofér lehce zraněn a rychlá záchranná služba jej převezla do písecké nemocnice. Na autě vznikla škoda za 40 000 korun.

Býk se zachoval jako nezodpovědný účastník silničního provozu a z místa nehody utekl. Později byl spolu s celým stádem sehnán dohromady a údajně nebyl nijak vážně zraněn.

Kolize

Dotazy na geometrickou blízkost

• Otázky pro dvojici objektů:

– Protínají se mezi sebou během pohybu?

– Pokud se neprotínají, jak jsou od sebe daleko ?

– Pokud se protínají, jaká je hloubka penetrace ?

Příklady použití kolize v praxi

• Virtuální realita• Simulátory• Počítačové hry• Průmysl• Konstrukce• Vědecké simulace

Hierarchie obalových těles• Hierarchie:

– každý uzel obsahuje jeden objem, který omezuje množinu trojúhelníků

– potomci obsahují objemy, které ohraničují odlišné části (skupiny) trojúhelníků daného rodiče

– Listy hierarchie obvykle obsahují individuální trojúhelníky (často však seznam trojúhelníků)

• Binární hierarchie obalů:

Hierarchie obalových těles

Přímá vizualizace objem. dat

Model rozptylu světla

paprsek R prochází prostorem skalární funkce proměnných x,y,z

L

t1

t2

tR

(x,y,z)

)(cosP)t(D)t(I

osvětlení

hustota odrazová funkce

Klasifikace

• originální datová množina obsahuje hodnoty, které jsou specifické pro danou aplikační oblast (teplota, rychlost, hustota protonů, atd.)

• datům musíme přiřadit barvy/průhlednosti, které dají datům určitý význam

• řeší se pomocí přenosových funkcí

Přenosové funkce

• Jednoduchý (obvyklý) případ: Mapování datové hodnoty f na barvu a průhlednost

lidský zublidský zub CT CT

(f)RGB(f)

f

RGB

Stínování,kompozice…

Přenosové funkce - výzvy

• Dokonalejší rozhraní:

– méně matoucí prostor přenosových funkcí

– odstranění nadměrné “flexibility”

– poskytnutí průvodce

• Automatické / poloautomatické generování přenosové

funkce

– obvykle zvýrazní hranice

Gordon Kindlmann

A co obyčejné fotografie ?

Hloubka a maska pomocí barevného filtru

Animace na základě jediného snímku

Vykreslování založené na obrazech

Jak vykreslit toto ?

Tradiční grafika

Počítačové vidění

Kombinace vidění a grafiky

Avšak ...

• Vidění selhává

Avšak ...

• … a stejně tak i grafika

Vykreslování založené na obrazech

Point-based rendering• Objekty reprezentované pomocí bodů

bez konektivity

• Bod (surfel) – Pozice, normála, radius, materiál

• Vykreslování = rekonstrukce povrchu v prostoru obrazovky

• Efektivní pro velmi složité objekty

x

yz

Principal Component Analysis

A co hardware ?

• V r.1980 publikoval prof. Jim Clark návrh obvodu Geometry Engine (transformace a ořezávání)

• Nesklidil velký úspěch, …• A tak založil SGI• A pak už to šlo ráz naráz …

Dělení objektového prostoru

procesorobjektu

procesorobjektu

procesorobjektu

obrazovápaměť

Dělení obrazového prostoru

procesoroblasti 1

procesoroblasti 2

procesoroblasti n

obrazovápaměť

Architektura 8x8 (Clark & Hanah)

objekty

procesorsloupce

procesorřádky paměť

procesorřádky paměť

procesorsloupce

procesorřádky paměť

procesorřádky paměť

transform.blok

řídícíprocesor

ořezáv.blok

videosignál

SGI SuperWorkstation

SP SPSP SP SP

X Y Z R G B A

SC SC

řadičobrazové paměti

úsekový procesor

obrazový procesor

obrazová paměť

rastrovýsubsystém

zobrazovacísubsystém

řádkovýkonverznísubsystém

geometrickýprocesor

hranový procesor

procesorpolygonů

výpočetsklonu

videosignál

grafická primitiva, příkazy

Vývoj po roce 1990Vysoký výkon během rasterizace - kompozice obrazu

G

R

G

R

G

R

G

R

C CC

Vývoj po roce 1990Vysoký výkon během rasterizace - dělení obrazovky

G

R

G

R

G

R

G

R

Silová zpětná vazba:Má to něco společného s grafikou ?

PHANToM 1.0

3DOF Haptika: princip

• Zjisti, zda bod proniká do objektu.• Nalezni nejbližší bod na povrchu• Vypočti reaktivní sílu

F=k.xF x

Smyčka silové zpětné vazby

Smyčka silové zpětné vazby

1000 Hz požadavek na výkon

• uživatel je součástí simulační smyčky• 1000 Hz je nezbytná frekvence, aby nedošlo k

nežádoucím oscilacím• Důsledek: jsme velmi omezeni v tom, jaké

množství výpočtů ve smyčce stihneme provést

Video:

Propojení vizuálního a dotykového prostoru

Virtuální prostor

fyzický prostor

... A využití haptiky

Virtuální prostor

Fyzický prostor

Reachin Display

Point Based Haptics

VRECKO a HCI Laboratory …