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Umschlagtext
Über 3D-Spiele und 3D-Multimedia-Anwendungen kennen die meisten Studenten die faszinierende Welt der Computergrafik bereits und sind oft auch mit dem Umgang mit Grafiksoftware vertraut. Für eine fundierte Ausbildung ist die Kenntnis der Grundlagen aber unentbehrlich.
Dieses Lehrbuch bietet eine anwendungsorientierte Einführung in die Computergrafik. Zu jedem Thema erläutern die Autoren zunächst die notwendige Theorie und dann die praktische Umsetzung. Als Basis dafür werden die überwiegend frei verfügbaren Werkzeuge MAYA, OpenGL, Cg und VTK eingesetzt. Jedes Kapitel enthält zahlreiche Übungsaufgaben und ausführliche Fallstudien, mit deren Hilfe der Leser schnell Praxiserfahrung sammeln kann. Aus dem Inhalt: • Grundlegende Verfahren und Techniken • Geometrisches Modellieren mit Kurven und Flächen • Polygonale Netze • Bildsynthese • Visualisierung • Computer-Animation Im Internet: Die vollständigen Quellcodes der Beispiele, die Lösungen der Aufgaben, Ergänzendes zu den Kapiteln, Einführungen in die verwendeten Software-Werkzeuge und Verweise auf Quellen und Installationsmöglichkeiten. Verlagsinfo
Faszination Computergrafik: Einstieg in die dritte Dimension Seit der Verfügbarkeit preiswerter Hochleistungs-3D-Grafikkarten sind 3D-Spiele und 3D-Multimedia-Anwendungen aus dem PC-Umfeld nicht mehr wegzudenken. Entsprechend erfreut sich die Computergrafik auch in der Ausbildung großer Beliebtheit. Dieses Lehrbuch bietet eine anwendungsorientierte Einführung in die Computergrafik. Zu jedem Thema erläutern die Autoren zunächst die notwendige Theorie und dann die praktische Umsetzung. Als Basis dafür werden die überwiegend frei verfügbaren Werkzeuge VRML, VTK, OpenGL, Cg und MAYA eingesetzt. Anhand der Fallstudien am Ende jedes Kapitels kann der Leser schnell Praxiserfahrung sammeln. Aus dem Inhalt: - Grundlegende Verfahren und Techniken - Geometrisches Modellieren - Polygonale Netze - Kurven und Flächen - Bildsynthese - Visualisierung - Animation Im Internet unter http://www.vislab.de: Die vollständigen Quellcodes der Beispiele, Lösungen der Aufgaben, Ergänzendes zu den Kapiteln, Einführungen in die verwendeten Tools, Verweise auf Quellen und Installationsmöglichkeiten. Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Einleitung 1.1 Die Entwicklung der Computergrafik 1.2 Computergrafik-Architekturen 1.3 Wegweiser durch das Buch 2 Grundlegende Verfahren und Techniken 2.1 Transformationen und Koordinatensysteme 2.1.1 Punkte und Vektoren 2.1.2 Affine Kombinationen 2.1.3 Homogene Koordinaten und affine Abbildungen 2.1.4 Hierarchien und Szenengraphen 2.2 Projektionen und Kameramodelle 2.2.1 Parallelprojektion 2.2.2 Zentralprojektion 2.2.3 Die virtuelle Kamera 2.3 Clipping und Rasterung 2.3.1 Pixel und mehr 2.3.2 Die Window-Viewport-Transformation 2.3.3 Clipping und Culling 2.3.4 Rasterung und Scan Conversion 2.4 Sichtbarkeit 2.5 Zusammenfassung – Die Computergrafik-Pipeline 2.6 Fallstudien 2.6.1 Affine Transformationen und Hierarchien in OpenGL 2.6.2 Hierarchien in VRML und AliasWavefront MAYA 2.6.3 Die virtuelle Kamera in OpenGL 2.6.4 Clipping in OpenGL 3 Geometrisches Modellieren mit Kurven und Flächen 3.1 Modellieren geometrischer Objekte 3.2 Parameterkurven 3.3 Polynomiale Kurven 3.4 Bézier-Kurven und -Kurvensegmente 3.4.1 Bernstein-Basis und Bernstein-Polynome 3.4.2 Der de Casteljau-Algorithmus 3.4.3 Eigenschaften von Bézier-Kurven(segmenten) 3.5 Interpolation und Splines 3.5.1 Das Interpolationsproblem 3.5.2 Parametrisierungen 3.5.3 Polynomiale Interpolation 3.5.4 Hermite-Interpolation 3.5.5 Spline-Kurven 3.5.6 Catmull-Rom- und Kochanek-Bartels- (TCB-)Splines 3.5.7 Gewöhnliche kubische Splines 3.6 B-Spline-Kurven 3.6.1 B-Spline-Basisfunktionen 3.6.2 Der de Boor-Algorithmus 3.6.3 Eigenschaften von B-Spline-Kurven 3.6.4 Rationale Darstellungen – NURBS 3.7 Parametrische Flächendarstellungen 3.7.1 Häufig verwendete Typen von Flächen 3.7.2 Tensorproduktflächen 3.7.3 Getrimmte Parameterfl¨achen 3.8 Freiformvolumen und FFDs 3.9 Zusammenfassung 3.10 Fallstudien 3.10.1 Freiformgeometrie in OpenGL 3.10.2 NURBS-Geometrie in AliasWavefront MAYA 3.10.3 Interpolation mit Kurven 4 Polygonale Netze 4.1 Polygone und Polyeder 4.2 Speicherung von polygonalen Netzen 4.2.1 Ecken- und Kantenlisten 4.2.2 Die doppelt verkettete Kantenliste 4.2.3 Normalenvektoren 4.3 Dreiecksnetze 4.3.1 Datenstrukturen für Dreiecksnetze 4.3.2 Konstruktion von Triangle Strips 4.3.3 Konstruktion von Generalized Triangle Meshes 4.4 Modellieren mit Netzen 4.4.1 Tesselation von Objekten 4.4.2 Globale Deformationen 4.4.3 Extrusions- und Rotationskörper 4.4.4 Subdivision Modeling f ür polygonale Netze 4.5 Level-of-Detail und Vereinfachen von Netzen 4.5.1 Vereinfachen von polygonalen Netzen 4.5.2 Ausdünnen von Netzen 4.5.3 Progressive Meshes 4.6 Zusammenfassung 4.7 Fallstudien 4.7.1 Dreiecksnetze in OpenGL 4.7.2 Platonische und archimedische K¨orper 4.7.3 Netze und Subdivision in AliasWavefront MAYA 5 Bildsynthese 5.1 Wahrnehmung, Licht und Farbe 5.1.1 Licht und Farbe 5.1.2 Die menschliche Wahrnehmung 5.1.3 Farbmodelle 5.2 Beleuchtung, Reflexion, Transmission 5.2.1 Die Strahlenoptik 5.2.2 Das Reflexionsgesetz 5.2.3 Das Brechungsgesetz 5.2.4 Weitere Einflussfaktoren 5.3 Beleuchtung und Schattierung 5.3.1 Das Lambert-Beleuchtungsmodell 5.3.2 Das Phong-Beleuchtungsmodell 5.3.3 Weiterführende Modellbetrachtungen 5.4 Schattierungsverfahren für polygonale Netze 5.4.1 Flat-Shading 5.4.2 Gouraud-Shading 5.4.3 Phong-Shading 5.5 Programmierbare Shader 5.6 Mapping-Techniken 5.6.1 Texture-Mapping 5.6.2 Weiterführende Verfahren 5.7 (Anti-)Aliasing 5.7.1 Ein wenig Signaltheorie 5.7.2 Signale und Computergrafik 5.8 Zusammenfassung 5.9 Fallstudien 5.9.1 Beleuchtung, Materialien und Schattierung in OpenGL 5.9.2 Cg Vertex-Shader in OpenGL 5.9.3 Mapping in OpenGL 6 Visualisierung 6.1 Wissenschaftliches Rechnen und Visualisierung 6.2 Datenstrukturen 6.3 Algorithmen für skalare Attribute 6.3.1 Farbtabellen 6.3.2 Höhenfelder, Konturlinien und Konturflächen 6.3.3 Der Marching Cubes-Algorithmus 6.4 Direkte Volumen-Visualisierung 6.4.1 Rekonstruktion 6.4.2 Transferfunktionen 6.4.3 Ein Beleuchtungsmodell für das Volume-Rendering 6.4.4 Compositing 6.4.5 Ray-Casting 6.5 Visualisierung von Vektorfeldern 6.5.1 Modellieren von Vektorfeldern 6.5.2 Visualisierung von Trajektorien und Stromlinien 6.5.3 Line Integral Convolution 6.5.4 Visualisierung von Vektorfeldern mit Fl¨achen 6.6 Zusammenfassung 6.7 Fallstudien 6.7.1 Die Visualisierungs-Pipeline in VTK 6.7.2 Volumen-Visualisierung mit der VTK 6.7.3 Visualisierung von Vektorfeldern mit VTK 7 Computer-Animation 7.1 Computer-Animation 7.2 Basistechnologien und Interpolation 7.2.1 Key Frames 7.2.2 Rotationen und Key Framing 7.2.3 Pfad-Animation 7.2.4 Animation von Deformationen 7.3 Animation hierarchischer Objekte 7.3.1 Beschreibung hierarchischer Objekte 7.3.2 Inverse Kinematik 7.4 Prozedurale Animationstechniken 7.4.1 Partikelsysteme 7.4.2 Schwärme und Boids 7.5 Zusammenfassung 7.6 Fallstudien 7.6.1 Key-Framing und Pfad-Animation in AliasWavefront MAYA 7.6.2 Expressions in AliasWavefront MAYA 7.6.3 Partikelsysteme in AliasWavefront MAYA Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis |