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Computergrafik

  • In der Computergraphik geht es allgemein um die Erzeugung von Bildern mit einem Computer
  • Ein wichtiger Aspekt ist die Bilderzeugung aus einer gegebenen mathematischen Beschreibung: Rendering
rendering_input
mathematisches 3D Modell
rendering_output
rendering_output
erzeugtes Bild
Quelle: 3ds Max 2010; interior sample scene; Mental Ray renderer

Anwendungsbereich: Konstruktion, Planung

car_low
Quelle: 3D Modell: Turbosquid; Renderer: V-Ray for 3ds Max

Anwendungsbereich: Medizin

  • Darstellung der Daten von bildgebenden Verfahren (CT, MRT, Ultraschall)
  • Volumenrendering
  • 3D-Rekonstruktion
  • Anwendung in der Diagnostik, Planung und Dokumentation
fmri
Funktionelle Magnetresonanztomographie

Anwendungsbereich: Computerspiele

  • Bei Computerspielen spielt die Grafik eine wichtige Rolle und blickt auf einen lange Geschichte zurück
acardegames
Arcade-Spielautomaten aus den 80er Jahren

Anwendungsbereich: Computerspiele

Hier eine subjektive und unvollständige Liste von wichtigen Meilensteinen:

1972: Pong von Atari
1980: Pac-Man von Namco
1985: Tetris
1991: Civilization von MicroProse
1993: Doom von id Software (Ego-Shooter)
1998: Half-Life von Valve Corporation
2000: Sims von EA Maxis
2005: World of Warcraft von Blizzard/Activison (MMORPG)
2006: Wii Sports von Nintendo
2007: Crysis von Crytek
2010: Kinect Sports von Rare/Microsoft
2016: The Lab (HTC Vive) von Valve Corporation

Anwendungsbereich: Computerspiele

  • Um Interaktivität zu erreichen, müssen die Bilder in möglichst schneller Abfolge erzeugt werden.
  • Ziel ist, eine Bildwiederholfrequenz (Frame Rate) zwischen 30 bis 60 Hz zu erreichen.
  • Die menschliche visuelle Wahrnehmung empfindet ab einer Bildwiederholfrequenz von ca. 15 Hz die Darstellung als kontinuierlich.
  • Die Bildwiederholfrequenz wird häufig in FPS (Frames per Second) angegeben
  • Computerspiele haben maßgeblich zur Entwicklung von spezieller Grafik-Hardware beigetragen (GPU = Graphics Processing Unit)

Anwendungsbereich: Computerspiele

cpu_vs_gpu
Rechenleistung von GPUs im Vergleich zu CPUs
Quelle: Basiert auf CUDA C Programming Guide Version 10.1

Anwendungsbereich: Filmindustrie

  • 1995 erstellt Pixar den ersten Spielfilm, der vollständig im Computer generiert wurde: Toy Story
  • Heutzutage: Detaillierte virtuelle Charaktere mit ausgefeilten Materialen und Oberflächen
  • Relative aktuelle Beispiele sind: Pixar's Up oder Rango

Anwendungsbereich: Filmindustrie

  • Im Gegensatz zur Grafik bei Computerspielen können die Einzelbilder eines Films (≥ 24 FPS) vorberechnet werden.
  • "Offline" Rendering
  • Reduktion der Rechenzeit ist nicht primäres Ziel, sondern Realitätsnähe und Detailreichtum.
  • Spezial-Effekt-Firmen betreiben große Rechen-Cluster (z.B. Weta Digital, Cluster mit ca. 6000 CPUs)

Anwendungsbereich: Filmindustrie

Anwendungsbereich: Filmindustrie

  • Neben vollständig computer-generierten Filmen, werden auch häufig reale Filmsequenzen und computer-generierte Inhalte gemischt.
  • Um die virtuellen Objekte richtig zu platzieren und darzustellen, müssen u.a. die Bewegung der realen Kamera, die realen Lichtverhältnisse und die reale 3D-Geometrie der Szene ermittelt werden.
  • Ein bekanntes Beispiel ist der Film Jurassic_Park (1993)

Anwendungsbereich: Mischen virtueller und realer Inhalte

  • Beispiel: "Utopia" von Oliver Perfumo
Quelle: Freundliche Genehmigung von Oliver Perfumo

Uncanny Valley

  • Die Akzeptanz (bzw. emotionale Antwort) steigt nicht kontinuierlich mit der Menschenähnlichkeit einer Figur, stattdessen gibt es ein "unheimliches Tal"
uncanny_valley
bewegt
unbewegt
Akzeptanz
Menschenähnlichkeit
50%
100%
Industrieroboter
menschenähnlicher Robotor
ausgestopftes Tier
Leiche
Zombie
Handprothese
gesunde Person
Bunraku Puppe
Quelle: The Uncanny Valley, Masahiro Mori, 1970, Energy, 7(4), pp. 33-35

Uncanny Valley bereits durchschritten?

  • In früheren computergenerierten Filmen, wie z.B. Disney's Toy Story, wurde das "unheimliche Tal" vermieden, da die dargestellten Figuren nicht sehr menschenähnlich sind.
  • Seit ca. 2008 erstellen Spezialeffekt-Firmen computergenerierte Gesichtsanimationen, die fast nicht mehr dem Gesicht eines realen Schauspielers unterscheidbar sind, wie z.B.:
  • Digital Emily Projekt (2008): Photorealistische virtuelle Schauspielerin
  • The Curious Life of Benjamin Button (2008) : Brad Pitt wird älter dargestellt
  • Tron Legacy (2010): Jeff Bridges wird jünger dargestellt

Anwendungsbereiche

  • Als Zusammenfassung ist hier noch das Blender Demo-Reel zu sehen, das diverse Anwendungen der Computergrafik zeigt.

Schnittmenge mit anderen Fachgebieten

cg_overview
Computergrafik
Ingenieurs-
wissenschaften:
CAD, CAE
Psychologie:
Wahrnehmung
Photographie:
Bildsynthese, Optik
Physik:
Modellbildung
Simulation
Computer Vision:
Analyse und Synthese
Mathematik:
Geometrie
Algebra

Gibt es Fragen?

questions

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Weitere Vorlesungsfolien

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