Grafika komputerowa

Moduł prowadzony jest na czwartym semestrze studiów inżynierskich na kierunku "informatyka" EF-DI-2(04)

Treści kształcenia

- Charakterystyka przedmiotu, omówienie warunków zaliczenia, literatury i narzędzi programowych, wprowadzenie do grafiki komputerowej, prezentacja przykładowych projektów.

- Urządzenia graficzne. Pojęcia pixela i bufora obrazu. Algorytm rysowania linii i wypełniania wzorcem. Maszyna stanu. Model obserwatora i kamery. Podstawowe techniki dyskretne.

- Wprowadzenie do geometrii analitycznej. Projekcje przestrzeni 3D. Macierze, działania macierzowe. Model wierzchołek - krawędź - ścian. Struktury danych graficznych modeli. Wprowadzenie do OpenGL. Trójwymiarowe obiekty elementarne, wypukłe i wklęsłe wielokąty. Notacja macierzowa obiektów graficznych. Przykłady

- Modelowanie krzywych i powierzchni zdefiniowanych parametrycznie: typy helikalne, rotoidalne i spiralne. Kwadrygi. Implementacja komputerowa w standardzie OpenGL.

- Krzywe i powierzchnie nieparametryczne: wielomiany Hermite’a i Beziera. Krzywe i powierzchnie B-sklejane oraz NURBS różnych typów. Siatki trójkątne. Kolorowanie i cieniowanie powierzchni. Algorytmy zagęszczania siatek

- Przestrzeń wektorowa, transformacje jednorodne (translacja, rotacja, skalowanie), składanie przekształceń, ortogonalizacja. Przekształcenia zniekształcające. Pojęcie układu lokalnego i globalnego. Definicje kątów Eulera i RPY. Implementacja przekształceń jednorodnych w standardzie OpenGL. Analiza wybranych ciągów transformacji (przykłady). Podstawy animacji.

- Pojęcie obserwatora: układ wzrokowy człowieka, kamera, definiowanie ostrosłupa widzenia. Rzutowanie: rzut równoległy i perspektywiczny, relacje odległości, rzutowanie w układzie obserwatora, transformacje ekranowe, definiowanie okna. Obserwator dynamiczny. Odbicia lustrzane. Transformacje odwrotne. Prezentacja przykładów dotyczących technik obserwacji sceny.

- Podstawowe prawa teorii barw: standard CIE, modele RGB, HSV, CMYK, YUV. Paleta barw. Metody zwiększania liczby kolorów: halftoning, dithering, metody pochodne. Proste metody cieniowania obiektów. Przykłady technik kolorowania obiektów. Konwersja modeli barw. Mgła.

- Modelowanie oświetlenia, i cieniowania powierzchni przedmiotów: punktowe, liniowe i powierzchniowe źródła światła, cieniowanie powierzchni metodą Gourauda i Phonga, algorytm śledzenia promieni. Graficzne własności materiałów, mieszanie kolorów, przeźroczystość. Generowanie zjawisk atmosferycznych. Dym, chmury, ogień. Przykłady

- Pojęcie tekstury, mapowania środowiskowego, buforów obrazu i akumulacji. Przygotowanie tekstury. Sposoby przechowywania tekstury w plikach graficznych. Pojęcie przeźroczystości. Odczyt bitmap z plików DIB, BMP, PCX, JPEG. Metody teksturowania obiektów. Teksturowanie bezpośrednie i parametryczne. Współrzędne tekstury. Wybór parametryzacji. Mapowanie środowiskowe. Rozdaje mapowania. Atrybuty tekstury. Filtracja geometrii tekstury. Zjawisko aliasingu. Ciągi skalowanych tekstur – problem dokładności odwzorowania szczegółów.

- Metody teksturowania obiektów. Modelowanie wypukłości- algorytmy elementarne i złożone. Automatyczne definiowanie chropowatości powierzchni. Generowanie wysokości powierzchni na podstawie zdjęć – mapy terenu. Przykłady

- Relacja podłoże-tekstura. Przeźroczystość, kanał alfa. Formy przeźroczystości jako techniki mieszania barw. Bezpośrednie operacje na buforze obrazu. Wykorzystanie operacji logicznych. Napisy rastrowe. Pojecie fontu. Tworzenie tablicy znaków. Sposoby wyświetlania znaków. Przekształcenia znaków. Przykłady.

- Sprzęganie modeli graficznych ze złożonymi modelami matematycznymi. Modele matematyczne obiektów bryłowych połączonych przegubowo. Reprezentatywne przykłady (maszyny i urządzenia, zwierzęta, człowiek). Model dźwigu teleskopowego na platformie samochodowej.

- Animacja. Pojęcie dynamiki ruchu. Realność ruchu. Modelowanie zjawisk fizycznych oraz efektów specjalnych z użyciem cząstek Ograniczenia ruchu ciał - przeszkody. Interakcje obiektów– zderzenia. Modelowanie skutków zderzeń.

- Modelowanie przyrody. Generatory drzew i krzewów. Algorytmy wzrostu roślin. Nowe kierunki w grafice komputerowej. Podsumowanie wykładów.

Prezentacje

Literatura wykorzystywana podczas zajęć wykładowych

R. Leniowski - Grafika komputerowa - manuskrypt. - 2008

M. Jankowski - Elementy grafiki komputerowej - WNT. - 1990

J. D. Foley - Computer Graphics - Prentice hall. - 1996

Literatura wykorzystywana podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/innych

R. Wright, M. Sweet - OpenGL - Sams. - 1999

R. Wright, N. Haemel - OpenGL ksiega eksperta - Helion. - 2011

Literatura do samodzielnego studiowania

J. Vince - Mathematics for Computer Graphics - Springer. - 2006

Literatura uzupełniająca

P. Kiciak - Podstawy modelowania krzywych i powierzchni - NT. - 2000

Publikacje naukowe

L. Leniowska; R. Leniowski - The multi-segment controller of a flexible arm - VDE VERLAG GMBH, BERLIN. - 2020

R. Jasiński; B. Korga; R. Leniowski; D. Ożóg; D. Poliszak; P. Popielarz - Weryfikacja modeli matematycznych manipulatora składającego się z 3 szeregowo połączonych przegubów Cardana sterowanych wewnętrznymi cięgnami na stanowisku laboratoryjnym - . - 2020

L. Leniowska; R. Leniowski - Przegub z napędem i sterowaniem łączący ramiona robota - . - 2019

R. Leniowski - International Society of Medical Robotics - . - 2017

L. Leniowska; R. Leniowski - Ograniczenia technologiczne chirurgii robotowej na przykładzie robota ROCH-1 - . - 2016

M. Kucharczyk; R. Leniowski; S. Nitek; Ł. Ryk; M. Rzeszutek; K. Tomecki; M. Wroński - Modelowanie endoprotez – drukarki 3D i 5D w zastosowaniach medycznych - . - 2016

R. Leniowski; J. Meissner - Modelowanie realistycznej przestrzeni operacyjnej na podstawie obrazów DICOM - . - 2016