Storia della Computer Graphics

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1 Storia della Computer Graphics Docente: Prof.ssa Francesca Perla A cura di: Giuseppe Di Nucci Marialuisa Falanga Giulia Monaco Pinella Pedullà Anno Accademico 2005/2006

2 Computer Graphics L incredibile Come trasferire sviluppo tutte La queste della computer tecnologia informazioni HW/SW dalla macchina graphics!! all uomo in in modo, al al tempo Soluzione stesso, efficiente ed ed efficace? Siamo in grado di generare, raccogliere, e in seguito elaborare, informazioni in un campo di vastità prima impensabili Elaborazione di immagini prese dal satellite Progettazione (CAD) Elaborazione Dati Storia della Computer Graphics 2

3 Computer Graphics Cominciamo con una possibile definizione: Con il termine Computer Graphics intendiamo l uso di un calcolatore per produrre un immagine (o una sequenza di immagini). Storia della Computer Graphics 3

4 Computer Graphics Riguarda tutti gli aspetti di produzione di immagini mediante computer Input: dati (descrizione della scena da sintetizzare) Output: immagini Storia della Computer Graphics 4

5 Computer Vision Il paradigma precedente è opposto con comportamenti rispetto a quello della autistici Computer Vision che si occupa di analisi di immagini: Input: immagini In figura un paziente Output: dati (descrizione/comprensione dell immagine analizzata o del suo contenuto) Storia della Computer Graphics 5

6 Analisi dati Mappando una serie di numeri come punti in 3D (prendendoli tre a tre ed interpretandoli come coordinate spaziali) si riescono a trovare correlazioni impensabili. In questo esempio i valori pseudocasuali generati da una funzione di libreria non mostrano strutture se rappresentati come serie, ma mappati in 3D mostrano invece una forte correlazione scegliendo il corretto punto di vista. Storia della Computer Graphics 6

7 Applicazioni Vediamo ora una carrellata di alcune possibili applicazioni della computer graphic: 1. Interazione Uomo-Macchina 2. Visualizzazione Scientifica 3. Visualizzazione dell Informazione 4. Cinematografia 5. Videogiochi Storia della Computer Graphics 7

8 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina Interfacce utente Interazione con l elaboratore dominata da un paradigma che includa finestre, icone, bottoni, cursori, oggetti vari, È quello a cui siete abituati ma non sempre è stato così: Fino al 1983/84 (primi sistemi Apple Lisa e Mac) tutte le interfacce utente erano esclusivamente command line Tutti gli elementi che compongono un interfaccia grafica devono essere disegnati quindi necessitano di software grafico (2D) Storia della Computer Graphics 8

9 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina La grafica e diventata sempre piu un ausilio importantissimo per l interazione tra l utente ed il calcolatore E di più semplice interpretazione Fornisce un maggior numero di informazioni in modo più veloce Cattura l attenzione Storia della Computer Graphics 9

10 Dataspace, 1986 VIEWlab project Storia della Computer Graphics 10

11 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina Altri possibili impieghi di interfacce uomo-macchina grafiche: CAD (Computer Aided Design), per la costruzione di disegni tecnici (2D e 3D); l interfaccia grafica deve sopperire all uso più intuitivo delle mani e fornire funzionalità migliori Internet, sia per catturare l attenzione di chi naviga un sito web, sia per permettere una miglior interazione con le informazioni ed i dati contenuti nella rete (menu a scomparsa, bottoni, rollover etc.) Storia della Computer Graphics 11

12 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina Altri possibili impieghi di interfacce uomo-macchina grafiche: Realtà Virtuale e Realtà Aumentata, permette ad un operatore di immergersi completamente, o in parte, nell applicazione, interagendo con i dati e le informazioni in modo più naturale. E una tecnica ancora costosa e non ancora disponibile su larga scala. Quali sono gli oggetti sintetici? Modello wireframe della stiva dello shuttle Sovrapposto all immagine Storia della Computer Graphics 12

13 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina Altri possibili impieghi di utilizzo di applicazioni grafiche: Simulazione: Nasce dalla possibilità dei moderni sistemi CG di generare immagini realistiche in tempo reale. Esempi rilevanti sono (spesso in abbinamento con dispositivi ti I/O specializzati, Realtà virtuale): Volo; Guida e teleguida di veicoli speciali; Operazioni mediche e chirurgiche; Catastrofi naturali (terremoti, inondazioni, esplosioni,crolli, ); Operazioni di destrezza in ambiente ostile. Storia della Computer Graphics 13

14 Antoinette Trainer, 1910 Storia della Computer Graphics 14

15 Moderni simulatori di volo Aereoporto Malta Aereoporto Hong Kong Storia della Computer Graphics 15

16 Applicazioni Interazione Uomo/Macchina Controlli di apparecchiature o veicoli, dove un operatore utilizza un interfaccia grafica per accedere alle funzionalità di un apparecchiatura sofisticata o di un veicolo, sia in lettura dati che in immissione comandi; un esempio è dato dalle glass cockpit, che sono delle rappresentazioni grafiche della strumentazione di bordo di un aereo e che stanno sostituendo i più tradizionali strumenti di volo. Storia della Computer Graphics 16

17 Applicazioni Visualizzazione Scientifica Visualizzazione Scientifica E l incontro tra la grafica al calcolatore e l analisi di dati scientifici L uso della grafica permette una comprensione maggiore dei dati Tra i possibili usi della visualizzazione scientifica: immagini mediche, plot matematici, dati sperimentali, risultati di simulazioni, etc... Visualizzazione dell Informazione Parente della Visualizzazione Scientifica, si occupa di dati astratti e non immediatamente visualizzabili senza l introduzione di una opportuna metafora visuale (es. visualizzare un log file) Storia della Computer Graphics 17

18 Applicazioni Visualizzazione Scientifica Immagine medica Immagine medica Rendering del polo nord marziano Visualizzazione Info Metereologia Collisione di due stelle di neutroni Storia della Computer Graphics 18

19 Uso artistico Computer Art,, utilizzata per esprimere stati d animo Pubblicità,, per catturare l attenzione con immagini di effetto difficilmente ottenibili in altro modo Film,, sia che venga usata semplicemente per gli effetti speciali (la maggior parte dei casi), sia che venga utilizzata per la realizzazione in toto del film (alcuni casi notevoli, sempre più frequenti) Storia della Computer Graphics 19

20 Uso Cinematografico Storia della Computer Graphics 20

21 Illusioni ottiche Storia della Computer Graphics 21

22 Videogiochi Alcuni elementi di punta dei videogiochi moderni: 3D grafica in tempo reale implementano una interfaccia utente complessa implementano algoritmi di grafica di punta (ombre, strutture dati gerarchiche, effetti di luce, sistemi di particelle, raytracing, radiosity etc) necessitano di schede grafiche accelerate spesso presentano filmati (o scene singole) estremamente fotorealistici Storia della Computer Graphics 22

23 Videogiochi Space invaders, 1978 Battlezone, 1980 Pac-Man, 1980 Donkey-Kong, 1981 Zaxxon, 1982 Street Fighter II, 1991 Storia della Computer Graphics 23

24 Videogiochi Storia della Computer Graphics 24

25 Sviluppo guidato dall evoluzione dell HW/SW A partire dagli anni 50: utilizzo di tubi a raggi catodici (CRT) come dispositivi di output grafico Il primo calcolatore dotato di un CRT come dispositivo di output grafico è stato Whirlwind I, progettato e divenuto operativo nel 1950 presso il MIT Storia della Computer Graphics 25

26 Sviluppo guidato dall evoluzione dell HW/SW Dagli anni 60 ai primi anni 80: grafica vettoriale: fascio di elettroni che colpisce la superficie del CRT viene guidato per muoversi da una parte all altra (random( scan) tracciando punti, linee Storia della Computer Graphics 26

27 Nascita della computer graphics Nel 1960 William Fetter introdusse il termine Computer Graphics per descrivere la ricerca che stava conducendo alla Boeing. Egli pensò di sfruttare un modello 3D del corpo umano per progettare la carlinga degli aerei. Storia della Computer Graphics 27

28 Nascita della computer graphics interattiva La nascita della Computer Graphics interattiva si fa invece risalire al 1963, con la tesi di dottorato di Ivan Sutherland. Sutherland creò il primo programma di grafica computerizzata con cui si poteva disegnare attraverso il collegamento di un display (tubo catodico) al computer: lo Sketchpad (1962), e con esso produsse un film avente lo stesso nome. Storia della Computer Graphics 28

29 Nascita della computer graphics (2) (2) Sketchpad (1) (1) Modello usato usato da da Fetter Fetter Storia della Computer Graphics 29

30 Sviluppo guidato dall evoluzione dell HW/SW Dagli anni 70 : diffusione Confronto di tra sistemi una immagine raster: raster un immagine è rappresentata da una ed matrice una vettoriale rettangolare ingrandita. (raster( raster) ) di elementi a) immagine (pixel( pixel, originale, abbreviazione di picture element) Scansione b) immagine raster: vettoriale il fascio ingrandita di elettroni 8x spazza il CRT in modo sequenziale c) immagine un raster certo numero ingrandita di volte 8x al secondo (refresh rate) Tutte le tecnologie successive al CRT (cristalli liquidi, plasma, ) hanno adottato lo stesso modello raster Storia della Computer Graphics 30

31 Da Applicazioni Negli risoluzioni ultimi anni dell ordine stiamo assistendo dei ad un balzo 320x240 in avanti pixel per quanto con 16 colori riguarda: la velocità dei processori, boom della grafica a al calcolatore la disponibilità di memoria l immissione sul mercato di schede grafiche risoluzioni accelerate di più a basso di prezzo. 1024x1024 pixel a 32 milioni di colori. Storia della Computer Graphics 31

32 Schede grafiche La Scheda Grafica (S.G.) è un particolare dispositivo hardware progettato per convertire Oggi la sono in in circolazione sottosistemi rappresentazione di di pochi chip logica in in grado di di di visualizzare un immagine in in tempo in un segnale reale animazioni che può essere tridimensionali, usato per pilotare con immagini a colori un display; di oggetti complessi, tipicamente La tecnologia descritti moderna da da migliaia ha di di poligoni portato la creazione di schede con una memoria ed un processore interni indipendenti dal resto del sistema. Storia della Computer Graphics 32

33 Model Year Max memory (MiB) Core clock (MHz) Memory clock (MHz) Fillrate (MT/s) Memory bus width (bit) Riva Riva 128 ZX Vanta Riva TNT2 M Riva TNT2 Pro Riva TNT2 Ultra GeForce 256 (SDR) GeForce 256 (DDR) GeForce2 MX GeForce2 MX GeForce2 GTS GeForce2 Pro GeForce2 Ti VX GeForce2 Ti GeForce2 Ultra GeForce4 Ti GeForce4 Ti 4800 SE GeForce4 Ti GeForce4 Ti GeForce FX GeForce FX 5900 Ultra GeForce FX 5950 Ultra GeForce 6600 GT GeForce 6600 GT GeForce 6800 GTO GeForce 6800 GS GeForce 6800 GS GeForce 6800 GT GeForce 6800 Ultra GeForce 6800 Ultra GeForce 6800 Ultra GeForce 7600 GT GeForce 7800 GT GeForce 7800 GTX GeForce 7800 GTX GeForce 7900 GTX Storia della Computer Graphics 33

34 16000 MegaPixel/sec volte più potente Year Storia della Computer Graphics 34

35 Sviluppo guidato dall evoluzione dell HW/SW Questi dispositivi Anche forniscono le tecnologie informazioni di di tipo input posizionale si sono al sistema, sviluppate: e consentono all utente di mouse, specificare operazioni e tablet, joystick comunicare informazioni con un uso della tastiera ridotto al minimo Storia della Computer Graphics 35

36 Software di elaborazione grafica Sw di animazione Maya, 3D Studio Max = Mayax SoftImage XSI Blender Sw elaborazione immagini 3D Bryce POV-Ray Poser Storia della Computer Graphics 36

37 Maya, 3D Max Studio Maya e sicuramente il più importante programma di animazione per il cinema: tutti gli studio lo utilizzano! Mentre 3DS Max e sicuramente il più importante programma di animazione per i video game Storia della Computer Graphics 37

38 SoftImage Rivale di Maya, è utilizzato nei film, pubblicità e giochi per la produzione di ambienti e scene 3D Storia della Computer Graphics 38

39 Blender Pacchetto sw free, disponibile per molti sistemi operativi: FreeBSD, IRIX, GNU/Linux, Microsoft Windows, Mac OS X, Solaris Storia della Computer Graphics 39

40 Bryce Nato per la rappresentazione di paesaggi generati da frattali, è ideale per la creazione di scenari 3D Storia della Computer Graphics 40

41 POV-Ray Storia della Computer Graphics 41

42 Ottimizzato per la rappresentazione delle figure umane. Fornisce una ricca raccolta di figure umane, animali, robot, di pose, capigliature, espressioni facciali Poser (1995) Storia della Computer Graphics 42

43 Processo generazione immagine 3D Il processo di generazione di una immagine 3D può suddivisa in passi noti come la 3D graphics pipeline I dettagli e l ordine con cui questi passi sono effettuati può variare da scheda a scheda, ma in generale (e semplificando di molto!!!) avvengono i seguenti passi: 1.Progettazione della scena 2.Effetto dell Illuminazione 3.Proiezione da 3D a 2D 4.Rendering Storia della Computer Graphics 43

44 Il passaggio da 3D a 2D Uno dei principali problemi che si devono risolvere quando si rappresenta una scena reale tramite computer, è quello di capire quali sono gli oggetti che sono visibili e quali sono quelli che sono nascosti o parzialmente coperti da altri oggetti Storia della Computer Graphics 44

45 In questo algoritmo sono disegnati prima gli oggetti che sono lontani, e poi sono coperti con gli oggetti più vicini L algoritmo del pittore Storia della Computer Graphics 45

46 Z-buffering Per motivi di efficienza è effettuato direttamente dalla scheda grafica. La sua invenzione risale agli anni 70 ed è attribuita ad Edwin Catmull, attuale presidente della Pixar. In questo algoritmo la profondità di ogni pixel da colorare è memorizzato in un area di memoria detta z-buffer. Di solito è un array a due dimensioni, con un elemento per ogni pixel. Se più oggetti richiedono di essere mostrati sullo stesso pixel, la scheda grafica confronta la loro posizione (la coordinata z) e sceglie quello più vicino all osservatore. La profondità dell oggetto scelto è memorizzata nello z-buffer. Edwin Catmull Storia della Computer Graphics 46

47 Algoritmi di illuminazione Storia della Computer Graphics 47

48 Ray tracing Ray-Tracing e' una tecnica di computer grafica per il rendering di immagini. Il metodo usato simula il tracciamento dei raggi di luce che partendo da una sorgente luminosa si riflettono sui vari oggetti definiti nella scena, o passano attraverso quelli trasparenti, ed infine colpiscono gli occhi dell'osservatore (o la lente di una macchina fotografica o camera). I tempi necessari al rendering dell'immagine sono proibitivi. Storia della Computer Graphics 48

49 Texture Storia della Computer Graphics 49

50 Breve storia algoritmi di illuminazione 1968 Ray tracing (Appel) 1971 Ray tracing (Goldstein and Nagel) 1973 Phong reflection model 1980 Ray tracing (Whitted) 1984 Radiosity (C. Goral, K. E. Torrance, D. P. Greenberg and B. Battaile) 1990 Ray tracing (Heckbert) 1995 Ray tracing (Veach) Storia della Computer Graphics 50

51 Passi principali nell evoluzione Computer Graphics 1977: specifica del primo sistema per la grafica 2D (Core Graphic System) 1984: prima API industriale proprietaria della Silicon Graphics per grafica 3D (Graphics( Library GL) 1985: primo standard ufficiale di un API per grafica 2D (Graphical( Kernel System GKS) 1988: primo standard ufficiale di un API per la grafica 3D (Programmer ( Programmer s Hierarchical Interactive Graphics System - PHIGS) 1992: standard che integra PHIGS con il windows management system X (PEX( PEX) Storia della Computer Graphics 51

52 Passi principali nell evoluzione Computer Graphics 1993: primo standard industriale 3D portabile su diverse piattaforme hw: OpenGL 1993: API ad alto livello su base OpenGL che segue paradigmi simili a PHIGS (OpenInventor( OpenInventor) 1995: API proprietaria Microsoft in concorrenza con OpenGL (Direct3D/ Direct3D/DirectX) 1994/97: derivato da OpenInventor il primo linguaggio per la grafica 3D e la realtà virtuale su web (Virtual( Reality Modeling Language VRML) 1999: API Java per la grafica 3D (Java3D( Java3D) 2002/03: estensioni di OpenGL e DirectX per il supporto di hw grafico programmabile (GPU( GPU) 2003+: linguaggi ad alto livello per GPU: Cg (NVIDIA), HLSL (Microsoft), OpenGL2.0 Storia della Computer Graphics 52

53 Bibliografia/Link Andrew Glassner: An introduction to ray tracing Lasseter: Principles of traditional animation applied to 3d computer animation A Critical History of Computer Graphics and Animation ~fusiello/teaching/grafica/ Blender: POV-Ray Ray: Wikipedia: : Storia della Computer Graphics 53

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