Computergraphik - WS 16/17

Diese Vorlesung soll eine Einführung in die theoretischen und methodischen Grundlagen der Computergraphik geben, als auch die Grundlagen für die praktische Implementierung von computergraphischen Systemen legen.

Der Schwerpunkt liegt auf Algorithmen und Konzepten zur Repräsentation und Visualisierung von polygonalen, 3-dimensionalen graphischen Szenen. Die Übungsaufgaben werden teils theoretisch, teils praktisch sein, wobei die praktischen Aufgaben gewisse Programmierfähigkeiten in C++ verlangen. Ich empfehle den Besuch des "Propädeutikums C/C++" vor der Computergraphik-Vorlesung. Die theoretischen Aufgaben setzen teilweise einfache Matrix-Vektor-Rechnung voraus.

Bemerkung: in der Vorlesung wird nicht die Modellierung, Animation, oder Bildbearbeitung mit Hilfe von fertiger Software (z.B. Photoshop, Blender, Maya, Cinema4D, etc.) behandelt! Wir beschäftigen uns mit den Algorithmen, die hinter diesen Programmen stecken.

Aus dem Inhalt:

  1. Mathematische Grundlagen
  2. OpenGL 3 and C++
  3. 2D Algorithmen der Computergraphik (Scan Conversion, Visibility Computations etc.)
  4. Theorie der Farben, Farbräume (hauptsächlich physikalische, neurologische, und technische Aspekte)
  5. 3D Algorithmen der Computergraphik (Rendering Pipeline, Transformationen, Beleuchtung etc.)
  6. Techniken zum Echtzeit-Rendering
  7. Shader
  8. Texturierung

Aktuelles

Klausur-Termin: 10. 3. 2017, 11:00, Raum: MZH 1380/1400.

Folien

Die folgende Tabelle wird die behandelten Themen und die dazugehörigen Folien enthalten.

Woche Thema Folien Übungsaufgaben Frameworks
1. Orga, Intro, Geschichte, Displays, Gammakorrektur PDF1 PDF2 Blatt 1
OpenGL-"Hello World"
Sphere-Flake
2. Geometrie: Skalar- und Kreuzprodukt, Koordinatensysteme, Flächeninhalt von Dreieck und Polygonen, geometrische Prädikate, Volumen von Spat und Tetraeder, lineare Interpolation, Ebenen und Dreiecke.
PDF1 Blatt 2
Framework
C++ Recap Folien
3. Übersicht über die Graphik-Pipeline, verschiedene Sichtweisen der Pipeline.
Einführung in OpenGL: programmable Pipeline, immediate mode versus retained mode, vertex array objects, vertex buffer objects.
Scanline-Konvertierung von Linien: Midpoint-Algorithmus,
C++ CrashCourse (TicTacToe)
PDF1 PDF2 PDF3 Blatt 3
Midpoint
4. Span-basierter Algorithmus; Anwendung Raycasting auf Terrain-Rendering; scan conversion of circles.
Baryzentrische Koordinaten: affine Kombination, affine Abbildungen, konvexe Hülle, baryzentrische Koordinaten im Dreieck, baryzentrische Interpolation
PDF1 PDF2 Blatt 4
5. Polygon Scan Conversion: Rasterisierung von Dreiecken, Algorithmus von Pineda, Interpolation von Farben im Dreieck, Parallelisierung (und die Pixel-Planes-Story).
Triangulation, ein O(n log n)-Triangulations-Algorithmus, Füllen nicht-einfacher Polygone, Odd-Even-Rule, Winding-Number-Rule,
Font-Rendering: Begriffe, Outlines mittels Bezier-Kurven, Hinting.
PDF1 Blatt 5 Pineda
6. Visibility Computations: Painter's Algorithm, Z-Buffer, Z-Fighting, Depth-of-Field, Depth Complexity & Overdraw, Hierarchischer Z-Buffer, Implementierung in Hardware, Object-Space & Image-Space-Algorithmen, BSP-Tree, Warnock's Algorithmus & Quadtree, Double buffering & Synchronisation-Verfahren, Stencil buffer, Rendering Planar Reflections Using the Stencil Buffer, Schatten-Rendering mittels Shadow Volumes.
Alpha blending.
PDF1 Blatt 6 BSP Framework
7. Clipping: Problemstellung, Motivation für Clipping vor der Projektion
Transformationen 1: Koordinatensysteme in der Pipeline, elementare Rotation, Skalierung, Scherung, Spiegelung, Concatenation, Euler-Winkel, Gimbal Lock, Rotation um beliebige Achse mittels Basiswechsel, Zerlegung einer Rotationsmatrix,
PDF1 PDF2 Blatt 7
8. Quaternionen, Darstellung und Durchführung von Rotationen mittels Quaternionen, Interpolation von Orientierung mittels Quaternionen, affine Abbildungen, homogene Koordinaten, Translation, Anatomie einer Matrix, starre Transformationen, Alternative Berechnung einer Rot.matrix für beliebige Achse+Winkel, Klassifikation aller Transformationen, Transformationen in OpenGL, relative/hierarchische Transformationen, Objekthierarchien, Matrix-Stack in OpenGL.
PDF Blatt 8 Billiard
9. Projektionen & Perspektive: Kamera-Transformation, orthographische Projektion, perspektivische Projektion, Eigenschaften der perspektivischen Projektion, allgemeine projektive Abbildungen, Projektion in OpenGL PDF
10. Farben: Licht & Lichtquellen, Chromatizität, Reflectance spectrum, das Auge, Human Spectral Sensitivity, wahrgenommener Stimulus, Metamere, Linearkombination und Gleichheit von Spektren, die "Sensor-Abbildung", Definition des Begriffes "Farbe", Grassmann'sche Experimente und Gesetze, Farb-Basiswechsel, CIEXYZ-Farbraum, Chromatizitätsdiagramm, Gegenfarbenmodell, Farbmodelle RGB, CMY, HSV, Interpolation von Farben, PDF Blatt 9
11. Lighting & Shading: Arten von Lichtquellen, diffuse Reflexion, spiegelnde Reflexion, gerichtet diffuse Reflexion, Phong-Beleuchtungsmodell, Blinn-Phong-Modell, BRDF's, Lafortune-Modell, Flat-/Gouraud-/Phong-Shading, Mach-Bänder, Per-Pixel-Shading, two-sided lighting, Beleuchtung in OpenGL, two-sided lighting, Dämpfung PDF Blatt 10 DepthOfField
12. Shader Programming: fixed-function pipeline, programmable pipeline, vertex processor, fragment processor, Einführung in GLSL, Uniform- und Attribut-Variablen, Geometrie-Modifikation, Toon- and Gooch-Shader, Per-Pixel-Lighting, deferred shading, Depth-of-Field-Effekt. PDF
13. Texturierung: Übersicht, diskrete & prozedurale Texturen, Formalisierung, Texturkoordinaten (stückweise lineare Parametrisierung), Texturkoordinaten-Interpolation (nur linear), Modulation der Beleuchtung durch Texturen, gloss map, alpha map, bump mapping, normal maps, Textur-Interpolation, MIP-Maps, 2-stufige Parametrisierung mittels Hüllkörper PDF

Literatur

Folgende Literatur eignet sich als begleitende Literatur:

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.

Übungsbetrieb

Die Übungsblätter werden jeweils am Dienstag Abend auf der Homepage der VL (also hier) ins Netz gestellt.

Die Abgabe der Lösungen ist jeweils am Montag bzw. Dienstag eine Woche später direkt in der Vorlesung bzw. in der Übung. Theoretische Aufgaben werden schriftlich abgeliefert, praktische Aufgaben werden in der Übung am Rechner vorgeführt.

Hinweise zur Klausur

Die Klausur ist "closed book, open notes", d.h., während der Klausur sind erlaubt:

Außer diesen Dingen darf sich sonst nichts auf dem Tisch befinden, insbesondere nicht erlaubt sind:

Hier findet Ihr einige Probeklausuren. (Etliche sind auf Englisch, die richtige Klausur wird natürlich auf Deutsch sein.) Der ZIP-File ist Passwort-geschützt -- Ihr bekommt das Passwort von Eurem Tutor oder Professor.
Bitte lasst euch nicht von einer eventuell leicht abweichenden Terminologie irritieren. Es gilt in der Klausur immer die Terminologie, die ich eingeführt habe. Lasst Euch bitte auch nicht von der Fülle der Probeklausuren einschüchtern. Ihr müsst sicherlich nicht alle durchrechnen, um fit zu werden.

Online Literatur und Links zum Programmieren in C/C++ und in OpenGL

Online Literatur und Resources zu Computergraphik

Literatur und Infos, die nichts mit Computergraphik zu tun haben

Philipp Dittmann
Last modified: Thu May 11 16:50:06 CEST 2017