Grafica

Grafica (C.d.S. Magistrale in Informatica) A.A.2011/12

(2^ semestre, 2^ anno)
Esame progetto e orale

CFU 6
Docente Prof. Giulo Casciola

Venerdi' 25/5/2012 Aula Bombelli ore 8:30-10:30
Seminario tenuto da Dr.Raffaele Bratta su
OGRE: un motore grafico 3D open-source

Scopo Dare i fondamenti della grafica 3D al calcolatore, tra cui i concetti di modellazione poligonale e resa in tempo reale. Modellazione e rappresentazione grafica di scene 3D mediante opportuni software.

Contenuto
Sistemi raster-scan, Xwindow e librerie grafiche, programmazione X. Trasformazioni geometriche 3D, trasformazioni di vista, proiezioni prospettica e parallela, rappresentazione grafica di mesh 3D, algoritmi di rendering con rimozione delle parti nascoste (hidden line e hidden surface), modelli di illuminazione e algoritmi di shading (Z-buffer). Introduzione alla libreria grafica OpenGL.

Testi Consigliati

A.Watt, 3D Computer Graphics, II edition, Addison Wesley (1993);
J.D.Foley, A.Van Dam, S.K.Feiner, J.F.Hughes, Computer Graphics principles and practice, II edition, Addison Wesley (1990).
R.Scateni, P.Cignoni, C.Montani, R.Scopigno, Fondamenti di grafica tridimensionale interattiva, McGraw-Hill (2005)

Iscrizione al Corso: file txt da rispedire per e-mail al docente.

Orario delle Lezioni

Le lezioni inizieranno il 22 febbraio 2012 con il seguente orario:
Mer. ore 08.30-10.30 Aula Ercolani 1
Ven. ore 08.30-10.30 Aula Ercolani 2

Lezioni e Argomenti trattati

Me.22/02/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 1.
Introduzione al corso: equazione "grafica 3D Real Time=modellazione+resa", informazioni generali sugli obiettivi e sul corso dal punto di vista organizzativo. (vedi lucidi: Introduzione al Corso).
Introduzione ad alcune applicazioni della grafica 3D. (vedi lucidi: La Grafica e le sue Applicazioni).
Ve.24/02/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 2.
Hardware per un sistema grafico interattivo: architettura di un display raster scan, Monitor, Frame Buffer, DPU. Tipi di Frame Buffer, grafica con CPU e RAM e DPU, grafica con GPU; cenni su GPU e GPU programmabili. Software per un sistema grafico interattivo: il problema dell'interattivita`, ciclo di polling, coda degli eventi, paradigma di programmazione ad eventi. (vedi lucidi: Hardware e Software per la Grafica)
Me.29/02/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 3.
Sistema X Window: architettura del sistema, X Client, rete, X Server, X Protocol, Xlib, Window Manager, XClient che usa Toolkit. XClient che usa solo Xlib; display e screen, connessione X Client e X Server; politica di bufferizzazione e svuotamento buffer. Risorse, proprieta' e atomi, caratteristiche delle window. Gerarchia delle window, mapping e visibility, disegno e graphics context, eventi. Alcune esempi di XClient (xterm, xclock, xlogo, xcalc, xedit, bitmap, xfig). (vedi lucidi: XWindow System)
Ve.02/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 4.
Altre informazioni su X (xorg.conf, Depth e Backingstore, xdpyinfo). Elementi di programmazione X Window: esaminati alcuni semplici programmi Client che fanno esclusivo uso di Xlib. Messo a disposizione un archivio di semplici programmi da provare e modificare (vedi download xprg_1112.tgz).
Introduzione alla libreria SDL (Simple Directmedia Layer). (vedi lucidi: Simple Directmedia Layer)
Me.07/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 5.
Elementi di programmazione SDL: esaminati alcuni semplici programmi che fanno uso di SDL. Messo a disposizione un archivio di semplici programmi da provare e modificare. Algoritmo di linea incrementale, algoritmo di linea di Bresenham. (vedi lucidi: Algoritmi di Disegno 2d), (vedi Dispensa: Algoritmi di Grafica 2d).
Ve.09/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 6.
Algoritmo Two Array Mask. Visionate le relative implementazioni per XWindow (archivio xpr1112.tgz).
Rappresentazione B-Rep (Boundary Representation) di oggetti 3D; Mesh poligonali 3D; formati .m, .ply, .mesh, wavefront .obj, OFF; conversione formati e convertitori (vedi archivio converter.tgz)
Me.14/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 7.
Elementi di una mesh, strutture dati, editing di mesh. Repository di mesh; pacchetti per visualizzazione di mesh. (vedi lucidi: Mesh poligonali 3D ) Demo di utilizzo di Blender per editing di Mesh 3D. (vedi lucidi: Blender: Introduzione al Mesh Editing )
Ve.16/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 8.
Trasformazioni geometriche 3D; trasformazioni elementari: traslazione, scala, rotazione. Spazio affine: punti, vettori, combinazioni affini. Spazio affine: sistema di riferimento, trasformazioni affini, composizione di trasformazioni mediante prodotto di matrici; trasformazioni elementari: traslazione, scala, rotazione rispetto agli assi coordinati. Composizione di trasformazioni, trasformazioni inverse. Trasformazioni composte come rotazione e scala rispetto ad un asse e a un punto.
Ve.23/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 9
Cambio di sistema di riferimento. Cambio di base e cambio di sistema di riferimento. Definizione dei parametri di vista. Sistema di coordinate cartesiano e sferico. Trasformazione di vista; trasformazioni prospettiche e parallele; determinazione formule per il viewing 3D. Trasformazione di vista via base con View_Up vector; Trasformazione window-viewport. Tronco di piramide di vista (frustum) e necessita' di clipping 3D. Demo su programma persp_cube.c (in xprg1) chee implementa la trasformazione di vista visualizzando un cubo. Proposti 6 esercizi da realizzare modificando il codice persp_cube.c. (vedi lucidi: Trasformazioni di Vista)
Me.28/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 10.
Clipping 2D di linee: algoritmo di Cohen-Sutherland. Estensione dell'algoritmo di Clipping 2D di linee al caso 3D (vedi lucidi: Clipping di linee).
Clipping 2D di poligoni: algoritmo di Sutherland-Hodgman; estensione al caso 3D (vedi lucidi: Clipping Polygons). Introduzione agli algoritmi di real-time rendering: depth-cueing, hidden-line e hidden-surface.
Ve.30/03/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 11
Introduzione all'algoritmo Z-buffer per l'Hidden-Surface Removal di mesh poligonali; descrizione dell'algoritmo in termini di pseudocodice e significato del buffer Z (vedi lucidi: Real-Time Rendering), (vedi dispensa: Real-Time Rendering). Coordinate Baricentriche; esempio di applicazione: rasterizzazione di triangoli e interpolazione colore. (Vedi programmi esempio che implementano la rasterizzazione di triangoli con facce colorate e texturate, via coord. baricentriche).
Me.04/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 12.
Relazione fra le coordinate baricentriche di un segmento 3D (triangolo) e del suo proiettato e "profondita' di un pixel". Trasformazione prospettica modificata; verifica di trasformazione di rette in rette e di piani in piani; trasformazione come deformazione dello spazio; parametri alpha e beta; profondita' Z di un pixel. Rivisitata Trasformazione di Vista per Z-Buffer. Cenno ad algoritmi di rasterizzazione (vedi lucidi: Algoritmi di Rasterizing) e indicati programmi che implementano visualizzazione di un cubo texturato con correzione prospettica o meno.
Me.11/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 13.
Algoritmo di scan conversion per poligoni generici; rasterizzazione: specializzazione per triangoli; estensione per scan conversion di triangoli con componenti colore; estensione con altri parametri quali profondita' Z, coordinate colori, componenti normali, ecc.. Proposti 3 esercizi da realizzare modificando il codice persp_cube_image.c. Breve introduzione alla elaborazione di immagini per la rasterizzazione con texture.
Pipeline grafica, schede grafiche (vedi lucidi: GPU e Pipeline Grafica); Introduzione alla libreria OpenGL; GL, GLX, GLU, GLUT, macchina a stati finiti, pipeline OpenGL, un programma esempio con solo GL e GLX.
Ve.13/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 14
Display list e double buffer; programmazione con le GLUT; un programma esempio che usa GL e GLUT; pipeline delle trasformazioni in OpenGL: trasformazioni di modellazione, trasformazioni di vista e di proiezione; programmi esempio e tutorial. (vedi lucidi: Libreria Grafica OpenGL, parte I).
Me.18/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 15.
Ancora su trasformazioni in OpenGL: esaminati alcuni piccoli codici di esempio; Depth Buffer per la rappresentazione con rimozione parti nascoste. Libreria SDL (Simple Directmedia Layer) con OpenGL; esaminati alcuni esempi. (vedi lucidi: SDL con OpenGL).
Ve.20/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 16
Seminario: Dr. Giuseppe Maggiore, XNA e tecniche di sviluppo di videogiochi in ambiente Windows.
Ve.27/04/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 17
Esempio di progettazione di un codice di grafica 3D Real-Time (vedi archivio progetto_car1112.tgz), (vedi lucidi: Esempio SDL/OpenGL; vedi codice relativo).
Introduzione al modello di illuminazione di Phong: luce ambiente e riflessione diffusa; sorgente di luce puntiforme con riflessione diffusa e speculare; equazioni del modello di Phong (parametri legati al materiale e parametri legati alla luce), posizione osservatore e geometria della scena (normali, angoli di incidenza, angoli di riflessione). Tecnica Flat-shading. (vedi lucidi: Modello di illuminazione di Phong).
Me.02/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 18.
Gouraud-shading e Phong-shading per la determinazione del colore da assegnare ad ogni pixel dell'immagine. Interpolazione colore e interpolazione normali per le tecniche di shading.
Illuminazione in OpenGL (luci e materiali); shading; alcuni tutorials e programmi. (vedi lucidi: Libreria Grafica OpenGL, parte II).
Ve.04/05/12, ore 08.30-11.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 19
Texture mapping 2D; magnification, minification (mip-mapping); two-part mapping, environment mapping. Solid texture o 3D texture, texture procedurali, bump-mapping, multitexturing. (Vedi Lucidi: Texture nella CG). Texture in OpenGL: texture object dalla definizione all'applicazione. (Vedi Lucidi: Libreria Grafica OpenGL, parte III).
Progettazione di un codice di grafica 3D Real-Time (Parte II) (vedi archivio progetto_car2_1112.tgz), (vedi lucidi: Esempio SDL/OpenGL Parte II; vedi codice relativo). tutorial su texture, semplici programmi di esempio.
Me.09/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 1 , Lezione 20.
Ancora su: Progettazione di un codice di grafica 3D Real-Time; esaminate parti di codice relative a gestione texture, camera, joystick, fps, ecc. Visionati alcuni programmi di esempio ed in particolare gc_smooth basato su libreria glm.
Shadowing.
Ve.11/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 21
Ancora su shadowing: ombre su piani (proiezione), Shadow Buffer per ombre in un algoritmo Z-Buffer. (vedi lucidi: Shadowing). Tecniche di rendering OpenGL: allocazione di buffer e abilitazione di test. (vedi lucidi: Rendering avanzato in OpenGL e glut).
Ve.18/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Ercolani 2 , Lezione 22
Ancora su rendering avanzato in OpenGL. Color Buffer, Depth Buffer, Stencil Buffer, Accumulation Buffer e test; applicazioni; esempi per ombre, riflessione e trasparenza: demo con semplici programmi in OpenGL.
Introduzione alle curve e superfici in forma parametrica nella computer graphics.
Me.23/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Bombelli (Dip.Matematica) , Lezione 23.
Ancora su curve e superfici: curve di Bezier, curve B-spline e curve NURBS; patch di Bezier, superfici B-spline e superfici NURBS; valutazione approssimata e valutazione esatta; tassellazione per passare da curve/superfici a mesh (vedi Lucidi: Curve e Superfici in forma parametrica nella CG).
Introduzione a curve e superfici NURBS in OpenGL (vedi Lucidi: Libreria Grafica OpenGL (parte IV)).
Ve.25/05/12, ore 08.30-10.30, Aula Bombelli (Dip.Matematica) , Lezione 24
Seminario: Dr. Raffaele Bratta, OGRE: un motore grafico 3D open-source. (Vedi archivio Ogre.tgz con slide ed esempi)