Einführung in die Computergraphik

Einführung in die Computergraphik - WS 07/08

Diese Vorlesung soll eine erste Einführung in die Themen der Computergraphik geben. Der Schwerpunkt liegt auf Algorithmen und Konzepten zur Repräsentation und Visualisierung von einfachen, 3-dimensionalen graphischen Szenen.
Die Übungsaufgaben werden teils theoretisch, teils praktisch sein, wobei die praktischen Aufgaben gewisse Programmierfähigkeiten in C++ verlangen.
Die Bereitschaft zur Arbeit in Teams ist erwünscht.

Aus dem Inhalt:

Mathematische Grundlagen, Farben, Abtastung
2D Computergraphik (scan conversion, Clipping, etc.)
3D Computergraphik (rendering pipeline, Transformationen, Beleuchtung, etc.)
OpenGL
Echtzeit-Rendering

Aktuelles

Interview mit Joseph Weizenbaum zum 85. Geburtstag.

Folien

Die folgende Tabelle enthält die behandelten Themen und die dazugehörigen Folien.

Woche	Thema	Folien, 4up	Folien, 2up	Übungs- aufgaben
1.	Orga, Intro, Geschichte, Displays	PDF1 PDF2 PDF3	PDF1 PDF2 PDF3	Blatt 1
2.	C++ Wiederholung, Einführung in OpenGL	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 2
3.	Mathe Wiederholung, Übersicht der Graphik-Pipeline, Scan-Line-Konvertierung von Linien	PDF1 PDF2 PDF3	PDF1 PDF2 PDF3	Blatt 3
4.	Baryzentrische Koordinaten	PDF	PDF	Blatt 4
5.	Scan-Konvertierung von Polygonen, Verallgemeinerte baryzentrische Koordinaten	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 5
6.	Anwendungen der verallgemeinerten baryzentrischen Koordinaten, Z-Buffer, hierarchischer Z-Buffer	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2
7.	Z-Buffer-Hardware-Architektur, BSP, Warnock (Quadtree), weitere Buffers (double, quad, acc., stencil) Clipping von Linien	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 6
8.	Clipping von Polygonen (Sutherland-Hodgeman, Weiler-Atherton), Transformationen	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 7
9.	Transformationen Rest, Projektionen, Perspektive, Kamera-Transformation	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 8
10.	Farben 1 (Licht, Biologie, Metamere, Farbmischexperiment)	PDF	PDF	Blatt 9
11.	Farben 2 (Tristimulus- und Gegenfarbentheorie, Farbmodelle XYZ, RB, CMYK), Gastvorlesung ("Der Fehler des RGB-Farbmodells")	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 10
12.	Farben 3 (Farbmodelle HSV, HLS, Lab; Gamut), Lighting & Shading 1	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2	Blatt 11
13.	Lighting & Shading 2; Randrepräsentationen 1	PDF1 PDF2	PDF1 PDF2
14.	Randrepräsentationen 2 (Doubly-connected edge list); Euler-Formel, Anwendungen der Euler-Formel, Erweiterungen, Genus	PDF	PDF

Literatur

Folgende Lehrbücher eignen sich als begleitende Literatur (in Klammern die oben verwendeten Kürzel):

Peter Shirley: Fundamentals of Computer Graphics; 2nd Edition, AK Peters. (PS)
Donald Hearn, M. Pauline Baker: Computer Graphics with OpenGL; 3rd edition, Pearson / Prentice Hall (HB)
Foley, van Dam, Feiner, Hughes: Computer Graphics -- Principles and Practice; Addison Wesley. (FvD)
David F. Rogers: Procedural Elements for Computer Graphics; 2nd Edition, McGraw-Hill. (DR)
Tomas Akenine-Möller, Eric Haines: Real-Time Rendering; AK Peters; (MH)
John Vince: Mathematics for Computer Graphics, Springer.

Falls Sie sich diese Bücher anschaffen möchten, sollten Sie vielleicht überlegen, gebrauchte Exemplare zu erwerben -- oft gibt es diese zu einem Bruchteil des Neupreises. Zwei gute Internetadressen sind Abebooks und BookButler.

Scheinerwerb

Einen Schein erwirbt man durch erfolgreiche Teilnahme an den Übungen. Das heißt, Sie müssen insgesamt mindestens 50% der maximal erhältlichen Punkte erreichen. (Eine "Schein"-Klausur findet nicht statt.) Dieser Schein stellt dann die Voraussetzung für eine Prüfung in Computergraphik I dar.

Punktestände

Matr.Nr.	Punkte	Note
Summe	142
344025	78,5	3.7
354297	77	4.0
365965	34,5	5.0

Matr.Nr.	Punkte	Note
325709	95	3.0
326793	87	3.3
349343	82	3.7
318695	8	5.0
341716	157,5	1.0

Matr.Nr.	Punkte	Note
341651	94,5	3.0
313298	17	5.0
348256	13,5	5.0

Übungsbetrieb

Übungsblätter

Die Übungsblätter werden jeweils am Mittwoch im Lauf des Tages auf der Homepage der VL (also hier) ins Netz gestellt.

Die Abgabe der Lösungen ist am Mittwoch in der folgenden Woche direkt in der Vorlesung bzw. der Übung. Theoretische Aufgaben werden schriftlich abgeliefert, praktische Aufgaben werden in der Übung am Rechner vorgeführt.

Hinweise und Downloads zur Bearbeitung der Übungsblätter

Für die meistens praktischen Aufgaben benötigen Sie Qt 4. Auf den Pool-Rechnern ist dies schon installiert.

Die Installation der OpenSource-Version von Qt ist unter Windows etwas komplizierter als unter Linux. Eine ausführliche Installationsanweisung und einige Tipps für die ersten Schritte mit Qt bietet diese schöne Anleitung eines ehemaligen Hörers der CG1, Philip Kraus. Hier finden Sie eine etwas ausführlichere, aber auch etwas veraltete Anleitung.
Beachten Sie bitte auch die Links weiter unten.

Hier können Sie das kleine OpenGL-/Qt-Programmbeispiel (OpenGL / Qt example; compiles under Windows / VisualStudio, Linux, and Mac OS X) aus der Vorlesung herunterladen, und hier finden Sie noch ein etwas einfacheres Beispiel für OpenGL unter Qt aus der Übung.

Übungsblatt Nr. 4:

Hier finden Sie das Rahmenprogramm zu Aufgabe 1 und 2.

Übungsblatt Nr. 7:

Hier finden Sie das Framework zu Billiard-Aufgabe.

Übungsblatt Nr. 9:

Hier finden Sie das Framework zur Planeten-Billiard-Aufgabe.

And the Winner is ...

Christian Carlowitz hat die schönste und beste Lösung der letzten beiden Übungsblätter eingereicht.

Zum Ausprobieren: Source-Code, und Windows Binary.

Online Literatur und Resources im Internet

Ein sehr ausführliches Skript von Prof. Straßer.
Das Buch Computergrafik und Bildverarbeitung von Nischwitz, Fischer, und Haberäcker; komplett als PDF download-bar (in einzelnen Kapiteln); vorausgesetzt, man befindet sich im Netz der TUC (Alternativer Link).
C++ :
- Ein Tutorial für alle, die schon in irgend einer Sprache programmieren können;
- Java to C++ Tutorial (Quelle)
- Thinking in C++, Book 1: als PDF und als HTML . Eignet sich auch ganz gut zum Einstieg in das Programmieren, falls man noch keine andere Sprache beherrscht;
- Thinking in C++, Book 2: als PDF und als HTML
- Wichtige Guidelines für besseren und saubereren C++ Code
OpenGL:
- The OpenGL Programming Guide - The Redbook
- NeHe Tutorials (viele sehr ausführliche Tutorials und Beispiele
- The OpenGL Reference Manual - The Bluebook
- Spezifikationen (z.B. die OpenGL-Specification)
Qt (ein Cross-Plattform-GUI Toolkit, als "Wrapper" für OpenGL-Fenster) (für open-source Anwendungen ist die Library kostenlos)
- Downloads im Abschnitt "Qt Open Source Downloads"
- Ein einführendes Tutorial, aber soviel werden wir zunächst wahrscheinlich gar nicht brauchen
- Ein paar Beispiele für OpenGL mit Qt
Literatur zu verallgemeinerten baryzentrischen Koordinaten:
- Hormann & Floater: Mean Value Coordinates for Arbitrary Planar Polygons
- Surazhsky & Gotsman: Intrinsic Morphing of Compatible Triangulations
- Floater: Mean Value Coordinates
Zu Visibility Computations:
- Hansong Zhang, Kenneth E. Hoff III: Fast Backface Culling Using Normal Masks
- Andreas Johannsen, Michael B. Carter: Clustered Backface Culling
- Ulf Assarsson and Tomas Möller: Optimized View Frustum Culling Algorithms for Bounding Boxes
- Lighthouse 3D: View Frustum Culling Tutorial
Gary W. Meyer: Tutorial on color science; The Visual Computer, Volume 2, Number 5 / September, 1986. Von einem Rechner innerhalb des LANs der TUC kann man sich hier das Paper herunterladen.
Ein Aufsatz zu Battistas Della Pittura (einer der Begründer der Perspektive in der Malerei)
Witziger (und beeindruckender) Artikel zum Thema: Excel: Revolutionary 3D Game Engine?

Change Monitoring:

Gabriel Zachmann
Last modified: Thu Feb 26 17:31:18 MET 2009