Was ist Computergrafik?

Was ist der Fokus der Computergrafik?

Nenne die verwandten Disziplinen

Welche 2 Hauptbereiche hat die Computergrafik?

Nenne 6 Anwendung der Computergrafik mit mind. 2 Beispielen

Gebe einen kurzen geschichtlichen Überblick

Was ist eine Pixelgrafik?

Was sind die Vorteile einer Pixelgrafik?

Was sind Nachteile einer Pixelgrafik?

Was ist eine Vektorgrafik?

Was sind die Vorteile einer Vektorgrafik?

Was sind die Nachteile einer Vektorgrafik?

Nenne den prinzipiellen Aufbau von GRafikkarten

Was ist die GPU und was sind ihre Aufgaben?

Was sind Shader und wofür braucht man sie?

Was ist der Grafikspeicher?

Was ist der RAM/DAC?

Wie wird die Bildauflösung/Farbtiefe berechnet?

Berechne anhand des Beispieles 1024x768, True Color

Computergrafik

Definition

Erzeugung,Verarbeitung und Analyse von Bildern mit Hilfe von Computern

Fokus

Erstellen von geometrischen Modellen und ihre Darstellung (Bildsynthese)

Verwandte Disziplinen

• Bildverarbeitung- und Analyse

• Visualisierung: Nutzung von Methoden der CG

• Mensch- & Computer- Interaktion

2 Hauptbereiche

• Bildsynthese (Erzeugung)

• Bildanalyse (Auswertung)

Bildsynthese

Nutzung von Mittel der Informatik zur Erzeugung und Erweiterung von Stand- (CGI Computer Generated Images) und Bewegtbildern (Animationen)

Bildanalyse

Anwendung von unterschiedlichsten Methoden und Algorithmen um aus eingespeisten Bilder, verschiedenste Informationen herauszulesen

Bildkompression und Spezifizierung von Dateiformaten - eher unbedeutsamer Aspekt

Anwendung

• Mensch-Computer-Interaktion

1. Graphische Benutzungsoberflächen

2. Neuartige Ein-& Ausgabegeräte

3. digitale Kunst

• Film & Computerspiele

1. Animationen

2. Special Effects

3. Composting

• CAD

1. Konstruktion & Fertigung

2. Virtuelle Produktion & Tests

3. Prototypen

• Visualisierung

1. Daten-& Informationen

2. räumlich bezogene Daten

3. Prozessvisualisierung

• Erweiterte & virtuelle Realität

1. virtuelle Produktion

2. Computergenerierte Welten

3. Interaktionen mit Betrachter

• Medizin

1. bildgebende Verfahren

2. Volumengrafik

Kurzer Geschichtlicher Überblick

• 1951 Whirlwind am MIT

1. Kathodenstrahl-Bildschirm

2. Lichtgriffe

3. Basis für Prototypen des Luftraumüberwachungssystems

• 1958 - eines der ersten Videospiele „Tennis for two“

• 1963 - Sketchpad - erstes interaktives Graphiksystem

• Mitte 1960er viele CG Forschungen

• Mitte 1970er erste Markfähige Ergebnisse

• 1980 ca 30 min Computeranimationen im Film „Tron“

• 1981 erstes Rendering-System REYES

• Anfang Mitte 90er

1. Graphik im Internet

2. Standard zur Bild-& Bewegtbildübertragung

• 2001 Nintendo Gamecube, xBox

Pixel - und Vektorgrafik

Pixelgrafik

• Besteht aus rasterförmig angeordneten eckigen Farbpunkten - Pixeln

• Jeder Pixel kann eigene Farbe haben

-> Durch Aneinanderreihung setzt sich Bild zusammen

• Je mehr Bildpunkte desto besser Qualität bzw. Auflösung

• Auflösung wird in dpi (dots per inch) angegeben

• Wird Pixelgrafik vergrößert, vergrößern sich die Pixel

-> Bild erscheint grober, eckiger, verpixelter

• Typische Dateiformate: JPG, PNG, GIF, BMG

Vorteile

• Normale Bilder einer Kamera oder eines Handys sind immer Pixelgrafiken

• Dateiformate sind in vielen Programmen einsetzbar

• Jeder einzelne Bildpunkt kann separat bearbeitet werden

(Es lassen sich auch detailreiche Grafiken mit einer sehr mit einer sehr guten Qualität und Schärfe darstellen)

(Die Qualität richtet sich nach der Pixeldichte (Auflösung))

(können in zahlreichen Farbabstufungen dargestellt werden)

Nachteile

• Nicht ohne Qualitätsverlust skalierbar

• Je höher die Qualität des Bildes, je größer ist die Datei und verbraucht damit mehr Speicherplatz

• Die Umwandlung einer Pixelgrafik in einer Vektorgrafik liefert meist schlechte Ergebnisse

Vektorgrafik

• Enthält mathematische Informationen von geometrischen Figuren wie Linien, Kreise, Kurven

• Werden sogenannte Pfade abgespeichert

-> enthalten Informationen zu Größe, Farbe, Anfangspunkt,Richtung,Länge usw

–>Bild ist mathematisch definiert

• Typische Dateiformate: EPS oder AI

Vorteile

• Für Logos und Schriften das ideale Format

• Lassen sich ohne Qualitätsverlust skalieren

• Kleine Dateigrößen und gute Kompressionsmöglichkeit

• Von allen professionellen Dienstleistern verwendbar

• Eignen sich ebenfalls gut für Grafiken und Figuren

• Sind meist transparent

Nachteile

• Können nur mit speziellen Grafikprogrammen (z.B. Adobe Illustrator) erstellt und bearbeitet werden

• Bearbeitung ist komplexer als bei Pixelgrafiken

• Effekte wie Schatten oder Reflexionen sind schwieriger darzustellen

Grafikkarten

Prinzipieller Aufbau

• Steuert Grafikausgabe in einem Computer

• Bei Ausführung eines Programmes berechnet der Prozessor die Daten, leitet diese an die Grafikkarte weiter und die Grafikkarte wandelt die Daten so um, dass der Monitor alles als Bild wiedergeben kann

• Werden als PC-Erweiterungskarten über ein Bussystem (PCle) mit der Hauptplatine verbunden

• Oder sind in einem Komponenten auf der Hauptplatine enthalten (z.B. Chipsatz,Prozessor bzw.

SoC (System on a Chip))

• Übliche Hardwareschnittstelle ist PCI Express

• Früher auch ISA, VESA Local Bus, PCI, AGP

• Schnittstellen sind entweder Bussysteme oder Direktverbindungen die dem Buscontroller mit der Grafikkarte verbinden

ISA = Industry Standart Architecture

PCI = Peripheral Component Interconnect

AGP = Accelerated Graphics Port

GPU

• Co-Prozessor für 3D Berechnungen ausgelegt

• Realistische räumliche Darstellung von Gegenständen mit Schatten und bewegten Szenen

• Physik-Engines bilden physikalische Gesetzmäßigkeiten aus der Mechanik nach

• 3D Leistung wird durch durch Parallelisierung erreicht und dadurch das typische Grafikverarbeitungsfunktionen in Hardware umgesetzt sind (Shader)

Shader

• Kleiner Prozessor innerhalb der GPU

• Eine GPU hat mehrere hundert Shader

• Sind auf unterschiedliche Funktionen oder auf bestimmte Berechnungen optimiert

• Seit DirectX-10 nur noch Unified Shader, die je nach Bedarf als Vertex- oder Pixel-Shader in Aktion treten

• Vertex-Shader berechnet Position eines Objektes & kümmert sich um die richtige Beleuchtung

• Haben V.-Shader Arbeit erledigt wird das Objekt mit Farbe oder Strukturen mithilfe der Pixel-Shader beklebt

Grafikspeicher

• Dient zur Ablage der im Grafikprozessor (GPU) verarbeiteten Daten sowie als Bildspeicher: Framebuffer: digitale Bilder die später auf dem Computer-Bildschirm oder mit dem Projektor ausgegeben wird

• Größe des Grafikspeichers bestimmt maximale Farbtiefe und Auflösung

• Heutzutage haben Grafikkarte mehr Speicher als zur reinen Bildspeicherung notwendig wäre

• Beim rendern dreidimensionaler Größen werden hier zusätzlich zum Framebuffer die Daten der Objekte (Größe,Form,Position,Texturen) gespeichert

Bildauflösung/Farbtiefe

Beispiel: 1024x768, TrueColor (3Byte pro Pixel für R,G und B)

1024x768= 786.432x3=2.359.269 Byte: 1024= 2.304 kByte

4 Farben = 2 Bit (pro pixel 2 Bit) = 0,25

16 Fraben = 4 Bit = 0,5

256 Fraben: 8Bit= 1 Byte

High Color: 2 Byte

True Color: 3 Byte. (muss für Rechnung aber noch mal 8 umgerechnet werden

RAM/DAC

• Random Acess Memory Digital / Analog Converter

• Chip der für die Umwandlung von digitalen (Videospeicher) in analogen BIldsignale (Monitor )

• Von ihn werden die Signalausgänge angesteuert

• Kann auch in Grafikprozessor integriert sein

Bresenham-Linien-Algorithmus

dx=xend-xstart

dy=yend-ystart

d=2*dy-dx

d0=2*dy

DNO=2(dy-dx)

x=xstart

y=ystart

setpixel(x, y)

solange x<= xend tue

x=x+1

wenn d<=0 dann

d=d+d0

Sonst

y=y+1

d=d+dNO

Ende wenn

setpixel (x, y)