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Computer Graphics

• docente: Marco Tarini e-mail: tarini@isti.cnr.it

• ricevimento: dopo ogni lezione!o anche su appuntamento

• pagina del corso: http://vcg.isti.cnr.it/~tarini/?59

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Strumenti che servono

• Programmazione– Linguaggi

• C o C++ (OpenGL, DirectX)• Java (Java3D)

– IDE• DevC++ ?• Eclipse (adattato a C o C++)?• Microsoft .net ? Code-blocks?

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Strumenti che servono

• Un po' di matematica– Algebra lineare: calcolo matriciale

• (matrici 3x3 o 4x4)

• Un po' di algoritmica– Es. saper valutare la complessità asintotica

• Un po' di voglia

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Computer Graphics

Marco Tarini

Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese

Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2008/09

Lezione I: intro e applicazioni

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Una definizione

• La CG è la disciplina che studia come modellare e visualizzare informazioni su un dispositivo di output video

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Computer Graphics: 3D

• In termini generali:– Modellazione di entità tridimensionali (almeno nel nostro caso)

– Sintesi di immagini a partire da queste

• Campo molto vasto– Copriremo solo una piccola parte

• Campo in rapidissima espansione– Studiatissimo nell'ultima trentina d'anni– Subito alcune importanti rivoluzioni di paradigma– Questo corso vuole dare un'infarinata dello stato attuale

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Computer Graphics: vicini di casa

• Algoritmi • (chiaramente)

• Computer Vision• in un certo senso, il problema inverso

• Geometria Computazionale• Image Processing

• piu' sulla sponda 2D• Parenti stretti:

– Computer Animation• cinematica inversa/diretta, motion capture...

– Acquisizione 3D Automatica– Display Devices

• incluso strumenti di visualizzazione immersiva– Haptic Devices

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Computer Graphics: applicazioni

• Cultural heritage– virtual museums– restoration support – monitoring

• Medicine– Diagnosis support– Tele surgery– Simulations

• Architecture– Supporto– Previews

• …

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• Videogiochi• Cinematografia

– Visual effects– Film di animazione

• Scientific Visualization• Manufacturing industry

– e.g. Computer Aided Design

• Telecommunications– Personalized Avatars

– E – Commerce

• Virtual Reality

Computer Graphics: applicazioni

• Visualizzazione Scientifica– aka: SciVis , visual data analysis ...

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(TACC Scientific Visualization group)

(Pittsburg Supercomputing center)(NASA)

• Visualizzazione di dati scientifici• I dati sono l’output di una

simulazione..• ..o acquisiti con qualche sistema di

misura• sono statici (di solito)• sono tanti (di solito)

Computer Graphics: applicazioni

• Visualizzazione Scientifica– aka: SciVis , visual data analysis ...

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(TACC Scientific Visualization group)

(Pittsburg Supercomputing center)(NASA)

Computer Graphics: applicazioni

• Visualizzazione Scientifica– aka: SciVis , visual data analysis ...

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(Pittsburg Supercomputing center)(NASA)

Computer Graphics: applicazioni

• E-commerce

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• 3D personalized avatars– e.g. teleconferencing...

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Computer Graphics: applicazioni

• applicazioni medicali– supporto alla diagnosi

• e.g. visualizz. CAT scans– chirurgia virtuale – tele-chirurgia

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Computer Graphics: applicazioni

• Industria Manifatturiera– CAD– Rapid Prototyping– Visualizz. of dei

risultati della simulazione– Light Simulation...

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Battlezone – Atari 1980 Tailgunner - Cinematronics 1979

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Doom – IDsoft 1993

Virtua Fighter - Sega 1993

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Doom 3- ID soft 2004

World of Warcraft, Blizzard Entertainment 2004

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a World of Warcraft, Blizzard Entertainment 2004vari su Xbox360, 2006-2007

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry– CG shorts

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Luxo Jr - Pixar 1986 Geri's Game - Pixar 1997

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry– CG shorts– Feature movies

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Toy Story - Pixar 1995

Geri's Game - Pixar 1997

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry– visual effects (non special fx)

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Jurassic Park - Universal Studios 1993Star Wars: The Phantom Manace - Lucasart 1999

Effetti visuali & Effetti Speciali

• Aggiungere alla scena reale cose che non ci sono

• Si fa in post-produzione• Problema simile in termini di tempo di

calcolo• + interazione con gli oggetti reali (es:

ombre portate)

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• Termine più generale che indica tutto ciò che viene fatto per illudere lo spettatore.• es: l’uso di stunt-men • es: cose-persone appese a

corde (Matrix)• es: trucchi con le

inquadrature (Il Signore degli Anelli)

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h I c s ‧ 2 0 0 7 / 0 8 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

Effetti visuali & Effetti Speciali

• Aggiungere alla scena reale cose che non ci sono• Si fa in post-produzione• Problema simile in termini di tempo di calcolo• + interazione con gli oggetti reali (es: ombre

portate)

• Termine più generale che indica tutto ciò che viene fatto per illudere lo spettatore.

• es: l’uso di stunt-men • es: cose-persone appese a corde

(Matrix)• es: trucchi con le inquadrature (Il

Signore degli Anelli)

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry– Feature movies fotorealistici

M a r c o T a r i n i ‧ C o m p u t e r G r a p h i c s ‧ 2 0 0 8 / 0 9 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Final Fantasy – Squaresoft 2001

Final Flight Of the Osiris – Squaresoft 2003

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Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali– Presentazione

• musei virtuali• cataloghi di musei reali• supporto alla didattica• documentaristica...

– Supporto al restauro• Modello 3D come GIS• Simulazioni...

– Studio• Analisi dei dati• vedi SciVis

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Beni Culturali

• Uso: – fruizione (musei virtuali..)– documentaristica– didattica – monitoraggio

• Mezzi:– acquisizione della forma ( 3DScanning )– acquisizione del colore– Tecniche di visualizzazione di grandi moli di dati (multiresolution, out of core rendering)

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Visual Computing Lab – ISTI-CNR Pisa

Beni Culturali: Fruizione

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• Chioschi: supporti multimediali ai musei tradizionali– PC+ video, l’utente esamina le opere, legge note informative – esempi: il Davide di Michelangelo alla Galleria dell’Accademia di Firenze– esempi: Il monumento funebre di Arrigo VII all’Arcivescovado

• Diffusione via rete– L’utente visita un museo (o una singola opera) dal PC di casa ( WebDavid )

Beni Culturali: Fruizione

• Beni Culturali– musei virtuali– supporto multimediale musei tradizionali

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Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali– presentazione in rete

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Beni Culturali: Restauro

• Il restauratore si faceva fare degli schizzi su carta dell’opera da restaurare per fare una mappa degli interventi: col il modello virtuale può gestire tutto su PC

• Acquisizione dell’opera prima e dopo il restauro e confronto geometrico delle differenze

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Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali– modello 3D come "GIS"

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Beni Culturali: Studio

• ES: Simulazione caduta contaminanti

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15 degrees5 degrees

Beni Culturali: Monitoraggio

• es: monitorare nel tempo la variazioni sui materiali deformabili

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foresta di Dunarobbahttp://www.forestafossile.it/public/new/

Beni Culturali: i mezzi

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oggetto reale Rappresentazione digitale

Strumento di acquisizione

processingdei dati

• Acquisizione della forma geometrica (3D scanning)

Beni Culturali: i mezzi

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Visual Computing Lab – Stanford Uni 2000

• Acquisizione della forma geometrica (3D scanning)

Beni Culturali: i mezzi

• Acquisizione del colore– semplici fotografie

• approssimato, dipende dalla luce

– Tecniche di calcolo della BRDF

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Ci torniamo sopra con calma

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Computer Graphics: applicazioni

• Cultural heritage related– virtual museums– restoration support – monitoring

• Medicine– Diagnosis support– Tele surgery– Simulations

• Virtual Reality

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• Scientific Visualization• Manufacturing industry

– Computer Aided Design– Simulations

• Telecommunications– Personalized Avatars– E – Commerce

• Entertainment industry– Games

– Cinematography

Computer Graphics: applicazioni

• Architettura:– supporto al design

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ArchiCAD (Graphsoft)

Computer Graphics: applicazioni

• Architettura:– preview:

• comunicazione• controllo

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Computer Graphics: altro schema ricorrente

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applicazione interattiva

informazionemodellazione

rappresentazioneadeguata

(per...)

Immagine/i

rendering/visualizzazione

preprocessing

modelling

e.g. applicazione beni culturali

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Informazionemondo reale(es: 3D scans)

creazione(es: videogames)

Calcolo / simulazione(es: Sci-Vis)

Modellazione

Visualizzazione (rendering)

Trovare la rappresentazione più adeguataper...

Trasformare la rappresentazione in immagine(i) sullo schermo

noi siamo qui

Rendering

• Parola molto generale:

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Modello Immaginerendering

composto da varie primitive

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Rendering

• Esempio: nei web browser

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immaginerappresnetante la pagina

rendering

...

testo in HTML (+ immgini, etc)

Rendering

• Rendering 3D

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Scena 3D rendering Immagine

Rendering

• Rendering 3D

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ImmagineScena 3D rendering

...

modello 3D• punti 3D• primitive...

Algoritmi di Rendering

• Due tipi:– On-Line Rendering

• Interattivo: circa 1 – 10 frames per sec ("fps")• Real-Time: circa 10-100 fps

– Off-line Rendering• Tipicamente: da minuti ad ore per fotogramma

• Diversissimi:– nelle applicazioni– nei vincoli– nella qualita' (e.g. fotorealismo)– negli algoritmi– insomma: approcci diversi, mondi diversi.

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Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

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1993

Virtua Fighter - Sega 1993Jurassic Park - Universal Studios 1993

Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

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Final Fintasy – Squaresoft 2001

nVIDIA tech demo at SIGGRAPH 2001nVIDIA quadro

2001