Computergraphik - WS 15/16

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. (Zu Beginn der Vorlesung wird deshalb nochmals ein kurzer "Refresh" Ihrer C/C++-Kenntnisse gemacht.) 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 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

Folien

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

Woche	Thema	Folien	Übungs- aufgaben	Frameworks
1.	Orga, Intro, Geschichte, Displays, Gammakorrektur	PDF1 PDF2	Blatt 1	OpenGL-"Hello World" "Sphere-Flake"
2.	Geometrie: Skalar- und Kreuzprodukt, Koord.systene, Flächeninhalt von Dreieck und Polygonen, geometrische Prädikate, Volumen von Spat und Tetraeder, lineare Interpolation, Ebenen und Dreiecke; Einführung in OpenGL	PDF1 PDF2	Blatt 2	Framework
3.	Übersicht über die Graphik-Pipeline; Scanline-Konvertierung von Linien, Midpoint-Algorithmus, Span-basierter Algorithmus; Anwendung Raycasting auf Terrain-Rendering; scan conversion of circles; Wiederholung von C++	PDF1 PDF2 PDF3 PDF4	Blatt 3	Midpoint
4.	Baryzentrische Koordinaten: affine Kombination, affine Abbildungen, konvexe Hülle, baryzentrische Koordinaten im Dreieck, baryzentrische Interpolation 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, Art Gallery Theorem, Füllen nicht-einfacher Polygone, Odd-Even-Rule, Winding-Number-Rule, Flood Fill	PDF1 PDF2	Blatt 4
5.	Font-Rendering: Begriffe, Outlines mittels Bezier-Kurven, Flag-Fill-Algorithmus von Ackland, Hinting. 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,	PDF1 PDF2	Blatt 5	Pineda
6.	Visibility Computations 2: Double buffering & Synchronisation-Verfahren, Stencil buffer, Rendering Planar Reflections Using the Stencil Buffer, Schatten-Rendering mittels Shadow Volumes. Alpha blending. Clipping: Problemstellung, Motivation für Clipping vor der Projektion Transformationen 1: Koordinatensysteme in der Pipeline, elementare Rotation, Skalierung, Scherung, Spiegelung, Concatenation,	PDF1 PDF2 PDF3 PDF4	Blatt 6	BSP
7.	Transformationen 2: Euler-Winkel, Gimbal Lock, Rotation um beliebige Achse mittels Basiswechsel, Zerlegung einer Rotationsmatrix, Quaternionen, Darstellung und Durchführung von Rotationen mittels Quaternionen, Interpolation von Orientierung mittels Quaternionen, affine Abbildungen, homogene Koordinaten, Translation, Klassifikation aller Transformationen, Transformationen in OpenGL, relative/hierarchische Transformationen, Objekthierarchien, Matrix-Stack in OpenGL.	PDF
8.	Projektionen & Perspektive: Kamera-Transformation, orthographische Projektion, perspektivische Projektion, Eigenschaften der perspektivischen Projektion, allgemeine projektive Abbildungen, Projektion in OpenGL, Farben 1: Licht & Lichtquellen, Chromatizität, Reflectance spectrum, das Auge, Human Spectral Sensitivity, wahrgenommener Stimulus, Metamere,	PDF1 PDF2	Blatt 7	Billiard
9.	Farben 2: 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, Abstand zwischen Farben, uniforme Farbräume, Gamut, CIE Lab-Farbraum, Farbtransfer.	PDF	Blatt 8
10.	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 9
11.	Shader Programming: fixed-function pipeline, programmable pipeline, vertex processor, fragment processor, Einführung in GLSL, uniform- und varying-Variablen, Geometrie-Modifikation, Toon- and Gooch-Shader, Per-Pixel-Lighting, deferred shading, Depth-of-Field-Effekt.	PDF
12.	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	Blatt 10	Depth-of-Field

Literatur

Folgende Literatur eignet sich als begleitende Literatur:

• Peter Shirley: Fundamentals of Computer Graphics; 2nd Edition, AK Peters.
• Hearn, Baker, Carithers: Computer Graphics with OpenGL; 4th edition, Pearson
• Foley, van Dam, Feiner, Hughes: Computer Graphics -- Principles and Practice; Addison Wesley.
• Fletcher Dunn and Ian Parberry: 3D math primer for graphics and game development; A K Peters/CRC Press. Taylor & Francis Group.
  Eine sehr einfache, und gleichzeitig unterhaltsame Einführung in 3D-Vektor-Algebra. Als E-Book in der Uni-Bibliothek erhältlich, oder zum Reinschauen im Handapparat der Arbeitsgruppe CGVR. (Das Buch enthält einige wenige Errata.)
• David C. Lay: Linear Algebra and its Applications; Pearson.
• David F. Rogers: Procedural Elements for Computer Graphics; 2nd Edition, McGraw-Hill.
• Tomas Akenine-Möller, Eric Haines: Real-Time Rendering; AK Peters.
• J. L. Encarnação, W. Strasser, R. Klein: Graphische Datenverarbeitung 1 und 2. Oldenbourg, 1996
• Alan Watt: 3D Computer Graphics; Addison-Wesley.
• Bender & Brill: Computergrafik; Hanser.
• Dave Shreiner: OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL; Addison-Wesley Educational Publishers, Version 3.0, 3.1, oder 4.1. Achtung: die neueste Ausgabe passt nicht 100%-ig zur Vorlesung, sie ist daher nur für OpenGL-Fortgeschrittene brauchbar.
• Satyan L. Devadoss, Joseph O'Rourke: Discrete and Computational Geometry. Princeton University Press. (Kapitel 1 zum Thema Triangulation)

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 und Downloads zur Bearbeitung der Übungsblätter

• Die Installation der OpenSource-Version von Qt ist inzwischen sehr einfach. Bei vielen Linuxen ist Qt schon per Default drauf.
  Auf dieser Download-Seite finden Sie die Pakete (Source oder Binary) für Windows, Mac, und Linux. Es genügt, die Libraries und Header-Files zu installieren.
• Hier finden Sie ein "Hello World"-Programm. Es ist sehr klein und eignet sich, um zu testen, ob OpenGL bei Ihnen korrekt funktioniert. Im README steht, wie man es compiliert.
• Hier können Sie ein etwas spannenderes OpenGL-Programm herunterladen, das eine sog. "Sphere-Flake" darstellt.

Zum Shader-Übungsblatt

Die in der Vorlesung demonstrierten GLSL-Shader finden Sie in diesem Archiv. Sie enthalten den Source-Code und teilweise Mac-Executables. (Es sind auch noch einige fortgeschrittenere Shader dabei, für diejenigen, die Geschmack an der Sache gefunden haben.)

Den im Übungsblatt und in der Vorlesung erwähnten Shader Maker finden Sie hier.

Hinweise zur Klausur

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

• 3 DIN-A4 Blätter eigenhändig beschriftet
• Getränk

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

• Kein weiteres eigenes Papier
• Keine sonstigen Unterlagen, Bücher, etc.
• Kein Handy, keine Smartwatch, kein Taschenrechner, kein Laptop, etc.

Hier findet Ihr einige Probeklausuren. (Etliche sind auf Englisch, die richtige Klausur wird natürlich auf Deutsch sein.)
Bitte lasst euch nicht von einer eventuell leicht abweichenden Terminologie irritieren. Es gilt in der Klausur immer die Terminologie, die ich eingeführt habe.
Bitte lasst Euch sich 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

• Ein Kompaktkurs zu C mit Beispielen in OpenGL.
• Tutorials/Bücher zu C++ :
  • C++ Tutorial (Quelle); fängt von ganz unten an.
  • Thinking in C++, Book 1: als PDF und als HTML
  • Thinking in C++, Book 2: als PDF und als HTML
  • A modest STL tutorial ist eine einfache Einführung in einige grundlegende Konzepte, Container und Algorithmen der Standard Library von C++ (der sogenannten STL). (Quelle)
• OpenGL:
  • The OpenGL Programming Guide (das sogenannte "Red Book"). Das Passwort für Zugang und PDF-File gibt es in der Vorlesung oder in der Übung.
  • OpenGL Samples
  • NeHe Tutorials (viele sehr ausführliche Tutorials und Beispiele
  • The OpenGL Reference Manual - The Blue Book
  • 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 Libraries"
  • Wer sich für Qt interessiert, findet hier einige schöne Tutorials, aber im Rahmen der Vorlesung ist das nicht nötig.
  • Einige hübsche Beispiele für OpenGL mit Qt
• Zu GLSL und Shader-Programming:
  • Shader Maker is our simple, cross-platform GLSL editor. It works on Windows, Linux, and Mac OS X.
  • Here you can find the source code of the GLSL shader examples that were discussed in class.
    They comprise:
    • the Lighthouse3D tutorials, somewhat modified (and different variants), with the C source code cleaned up and refactored;
    • a number of shaders that create a procedural brick texture (inspired by the orange book), with increasing sophistication (noise);
    • a set of shaders implementing lighting, the last of which does per-pixel lighting;
    All demos should compile and run out-of-the-box under Linux and Mac OS X 10.6. (The executables contained in the zip were compiled under MAC OS X 10.5/10.6 Intel.)
  • Ein Tutorial zur Shader-Programmierung von Lighthouse 3D.
  • Mark Olano's Brief OpenGL Shading Tutorial (Quelle).
  • Viele Demos und Tutorials zur Shader-Programmierung gibt es auch bei Clockworkcoders.
  • Ein GLSL Quick Reference Guide (Quelle).
  • Die offizielle GLSL Spezifikation (falls man etwas nochmal ganz genau nachschlagen muß).
  • Die OpenGL 4.1 Reference Pages (sehr praktisch zum schnellen Nachschlagen).

Online Literatur und Resources zu Computergraphik

• Literatur zu Vektor- und Matrizenrechnung:
  • Norman Wittels: Introductory Vector Calculus (Quelle)
  • Konstantin Tretyakov: A Brief Introduction to Matrix Algebra (geht auch speziell auf Translationen, Rotationen, etc., ein) (Quelle)
  • Stefan Lang: Einführung in die Matrizenrechnung (Quelle)
  • Linear Algebra - An Introduction to Linear Algebra for Pre-Calculus Students by Tamara Carter, Richard Tapia, Anne Papakonstantinou (Quelle)
• Ein sehr ausführliches Skript von Prof. Straßer.
• Sehr anschaulich gemachtes Video-Tutorial zu LCD-Diplays von 3M.
• Ein sehr gutes Lehrbuch über alle Arten von Displays (konventionelle, holographische, Stereo, light-fields displays, HMDs, etc.) und deren Grundlagen (Photometrie, Physik des Lichts, Herstellungsprozesse, etc.): Displays: Fundamentals and Applications von Oliver Bimber und Rolf Hainich (Quelle)
• Literatur zur Gammakorrektur:
  • Das Bild zur manuellen Bestimmung des Gammas
  • Gamma FAQ - Frequently Asked Questions about Gamma ( Quelle)
  • Eine sehr ausführliche Darstellung und Motivation der Gammakorrektur: Rehabilitation of Gamma (Quelle)
  • Ein nettes Applet zur Gamma Correction (Quelle)
• Zu Visibility Computations:
  • Zum Hierarchischen Z-Buffer in ATIs Radeon-Karten (und so ähnlich in allen modernen Graphikkarten
  • Mark Kilgard: Improving Shadows and Reflections via the Stencil Buffer
  • David Blythe et al.: Lighting and Shading Techniques for Interactive Applications; Siggraph '99, Course 12, pp. 150 .
  • Morgan McGuire, John F. Hughes, and Kevin T. Egan, Mark J. Kilgard and Cass Everitt: Fast, Practical and Robust Shadows; 2003. (Quelle)
    Dieses Paper geht schon deutlich über das hinaus, was in der Vorlesung besprochen wird.
• Mehr zu Homogenen Koordinaten:
  • Two parallel lines can intersect
  • Projective Geometry and Homogeneous Coordinates ( Quelle)
  • Eine sehr pragmatische und teils witzige Einführung: Homogeneous Coordinates with Glorphs and Smynxes (Quelle)
  • Transformations and Homogeneous Coordinates (Quelle)
• Einige allgemeine Prinzipien bezüglich Animationen:
  • 12 basic principles of animation aus dem Buch The Illusion of Life von Ollie Johnston und Frank Thomas (1981). (Quelle des Films)
  • Und die selben Prinzipien noch einmal als (sehr bekannt gewordenes) Siggraph-Paper vom berühmten John Lasseter von Pixar (1987). Es enthält zahlreiche, hilfreiche Erläuterungen zu den Prinzipien. (Quelle)
• On Orthogonal Matrices
• Zu Quaternionen:
  • Joe McMahon: A (Mostly) Linear Algebraic Introduction to Quaternions. (Quelle)
  • Dam, Koch, Lillholm: Quaternions, Interpolation, Animation. (Quelle)
• Ein leicht verständlicher Artikel zum Thema perspektivische Projektionen: Projektive Abbildungen, zeichnerischer Zugang (Quelle)
• Zu Licht und Farben:
  • Gary W. Meyer: Tutorial on color science; The Visual Computer, Volume 2, Number 5 / September, 1986. (Quelle)
  • Lichttechnische Grundlagen von der Firma ADB GmbH (Quelle) — falls Sie gerne ins Theater gehen, dann erfahren Sie hier außerdem eine ganze Menge über Theater-Beleuchtung.
  • Alex Ryer: Light Measurement Book (Quelle); die erste Hälfte des Buches erklärt viele Konzepte bzgl. Licht und Lichtausbreitung.
• Zum menschelichen Auge, Sehvermögen, und Sehapparat:
  • Eine Zusammenfassung der Erkenntnisse bzgl. der menschlichen Sehschärfe des menschlichen Auges von Gerald Westheimer: Visual Acuity and Hyperacuity (Quelle, aus dem Handbook of Optics).
  • Ein kleiner philosophischer Aufsatz zum Problem der Qualia und der Erklärungslücke: What Is It Like to Be A Bat? von Thomas Nagel (1974). (Quelle)
    Hier ist der vollständige Aufsatz in The Philosophical Review, Vol. 83, No. 4 (Oct. 1974), pp. 435-450.
  • Webvision: The Organization of the Retina and Visual System, edited by Dr. Helga Kolb, Dr. Ralph Nelson, Dr. Eduardo Fernandez, Dr. Bryan William Jones. Eine hervorragende Sammlung von Buch-Kapiteln zu den verschiedensten Themen des menschlichen Sehapparates, auf verschiedenen Niveau-Stufen.
• Zu Lighting & Shading:
  • Siggraph Course Notes Lighting and Shading Techniques for Interactive Applications , 1999 (Kapitel 11.1 behandelt Spiegelungen in OpenGL, 11.4 behandelt Schatten, 6.1 behandelt Texturen)
  • Ein Video zum Phong-Modell von Matthias Parchettka (etwas albern, auch oberflächlicher als ein Buch, dafür vielleicht unterhaltsamer) (Quelle 1, Quelle 2).
  • Ein Video zu BRDFs auch von Matthias Parchettka (Quelle 1, Quelle 2).
  • Ein Video über Gouraud-Shading von Andrew Silke (Quelle).
• Zwei Anwendungen der Shader-Programmierung:
  • Algorithms for Rendering Depth of Field Effects in Computer Graphics (Quelle)
  • Rendering Depth of Field Effects Survey (Quelle)
• Zur Texturierung:
  • Ein paar sehr nette Demos zur perspektivisch korrekten (bzw. inkorrekten) Texturierung. Dabei finden sich auch ein paar sehr schöne Erläuterungen zu diesem Thema. (Quelle)
  • Der berühmte Artikel " Texture Mapping as a Fundamental Drawing Primitive" von Paul Haeberli and Mark Segal, 1993. (Quelle)
• Ein einfacher Beweis für das Jordan Curve Theorem für die Klasse der Polygone (Quelle)
• Eines der letzten Interviews mit Joseph Weizenbaum berühmter Pionier der KI und späterer Kritiker allzu großer Technikgläubigkeit. (Hat nichts mit Computer-Graphik direkt zu tun, gehört aber trotzdem zur Allgemeinbildung.)

Gabriel Zachmann
Last modified: Mon Aug 29 16:39:18 CEST 2016