Multimédiá – grafika I

1. Multimédiá – grafika I Doc. Ing. Juraj Vaculík, PhD., Mail : juvac@fpedas.utc.sk 38

2. Prípravné fáza vizualizácie • Príprava vizualizácie je tvoriváfáza, pri ktorej spracovávame obrazy v našej predstavivosti do nejakej úvodnej podoby. • Súčasťou procesu tvorby musí byť nejaké rýchle a hrubé načrtnutie základných predstáv. Teda prvým krokom pri tvorbe scény je pomôcka v podobe úvodných náčrtov. MM/2008

3. Štruktúra a delenie scény • Pri organizácii bežnej scény bývajú často použité tri hladiny – úrovne vrstiev: popredie, stredná časť a pozadie. Tieto hĺbkové plány sa ďalej delené na jednotlivé obrázky. Výsledkom spojenia zodpovedajúcich obrázkov je celá scéna. Použitie samostatných vrstiev má niekoľko dôležitých výhod: • voľný prístup k rozdelenie a úpravám jednotlivých prvkov scény bez ovplyvnenie okolitých prvkov • kooperatívnu tímovú prácu • zníženie rizika výskytu chýb vo výslednom zobrazení MM/2008

4. Zásady kompozície a jej prvky • Kompozícia popisuje celkovúštruktúru všetkých prvkov použitých v snímke – postáv, osvetlenia, podporných prvkov, rekvizít, zvláštnych efektov a pod. MM/2008

5. Zásady kompozície ... • Obrazové plochy - Ak chceme vytvoriť dôveryhodné obrazy, musíme vytvoriť ilúziu, že scéna je iba malou viditeľnou časťou rozsiahleho celku. Prvým predpokladom pre úspešnú ilúziu je delenie kompozície na tri typy vrstiev. • Pozorovací bod - Pozorovacím bodom je miesto, odkiaľ chcete aby divák sledoval jednotlivé prvky tvorenej scény. Pohľad z nízkeho uhla – podhľad (low-angle view) sa používa k zdôrazneniu veľkosti alebo podradenosti. Pohľad z vtáčej persektívy – nadhľad (birds eye view) sa používa k navodenie dojmu výšky, závratu alebo nadradenosti. MM/2008

6. Zásady kompozície ... • Ohniská - Ak sú jednotlivé vrstvy kompozície správne usporiadané, bude oko pozorovateľa smerovať na zaujímavé oblasti scény nazývané ohniská (focal point) • Rozloženie scény - V oblasti vytvárania obrázkov počítačom CGI – computer genetrated imaging budeme rozložením scény označovať vzájomné vzťahy medzi väčšími zoskupeniami objektov. Blokový diagram rozkladá scénu na: • kladný priestor – časť snímky obsadená objektmi • záporný priestor – časť snímky obklopujúca objekty. MM/2008

7. Zásady kompozície ... • Mierka - popisuje vzájomný pomer veľkosti jednotlivých objektov na scéne. Ide o dôležitý prvok upevňujúci predstavu o rozmeroch. • Dominantnosť – je relatívna vizuálna prítomnosť objektu v scéne, ktorý výrazne prevyšuje ostatné objekty scény. V scéne môže dominovať napríklad farba, objekt, textúra a pod. MM/2008

8. Zásady kompozície ... • Rovnováha – je pravdepodobne najťažšie dosiahnuteľná, pretože je veľmi úzko spätá s ostatnými zásadami. Ide o vzájomne vyrovnanú kombináciu všetkých ostatných prvkov v scéne na základe ich mierky, dominantnosti a všetkých ostatných aspektov, ktoré možno hodnotiť. • Dojem hĺbky obrazu – ilúziu hĺbky pri kompozícii dosiahneme pomocou uváženého používania prekrývania, hodnôt kontrastu, farieb a perspektívy pomocou atmosféry. MM/2008

9. Dojem hĺbkyprekrývaním objektov • fyzické prekrytie – používame ho na to, aby sme divákovi dali pomocný podnet k pochopeniu relatívneho hĺbkového umiestenia objektu v scéne. • presah mimo hranice objektu – dochádza k nemu v okamihu, kedy sa jednotlivý prvok prekrýva s hranicou výrezu scény, napríklad strom v pozadí, ktorého časť je mimo obrazovku. MM/2008

10. Dojem hĺbky ... • navodenie ilúzie hĺbky pomocoufarieb a kontrastu – pri určovaní polohy objektu v trojrozmernom priestore používa ľudské oko svetlé a tmavé plochy viditeľné v kompozícii. Všeobecným pravidlom je, že tmavé objekty a studené farby sa zdanlivo vzďaľujú od diváka, zatiaľ čo svetlé objekty a teplé farby objekt približujú smerom k divákovi. • Perspektíva prostredníctvomatmosféry – vnímanie hĺbky je schopnosť, ktorú sme sa naučili a  počítačom je možno napodobniť pomocou atmosféry. Možno ju napríklad vytvoriť pomocou hmly alebo oparu vo vzdialenejších vrstvách atmosféry . MM/2008

11. Zásady kompozície ... • Proporcie – proporcia je vzťah jednotlivých objektov k objektu ako celku. Pri kompozícii je takto nazývaný vzťah medzi svetlými a tmavými oblasťami v snímke, relatívnou veľkosťou a umiestením objektov na scéne a spôsobom delenia priestoru. Kompozičné proporcie sa niekedy nazývajú pravidlom tretín alebo zlatý rez. MM/2008

12. Rozvíjanie tvaru • vytvárať objekt znamená upraviť jeho objem , hmotu, podobu, prevedenie, rozmery a obsiahnuť všetky tieto viditeľné vlastnosti v trojrozmernej podobe. • Východiskom pre modelovanie objektov sú takmer vždy jednoduché tvary. MM/2008

13. Delenie tvaru ukážka • Ďalšou časťou procesu modelovania je rozhodnutie, ako celkovú formu rozdeliť. • Delenie tvaru popisuje spôsob rozdelenia objektu na jednotlivé – parciálne časti, napríklad delenie tvaru antického stĺpa – základ stĺpa, driek stĺpa a hlavica stĺpa • Pomer vzájomných proporcií jednotlivých častí objektu ovplyvňuje predstavu diváka o veľkosti objektu, mierke, jeho váhe a pod. . MM/2008

14. Tvorba detailov • objekt s príliš veľkým množstvom detailov sa prejaví ako krikľavý alebo prekonštruovaný, zatiaľ čo malé množstvo detailov môže pôsobiť dojmom nedokončenej práce. • Ich správny pomer spočíva na veľmi ťažko definovaných činiteľoch individuálneho zmyslu pre cit a detaily. MM/2008

15. Komunikácia a detaily • konečnými zložkami vizuálnej podoby objektu sú jeho materiálové vlastnosti, textúra a detaily. • Práca s detailmi vyžaduje okrem úpravy a nanášania výslednej textúry tiež pridávanie alebo uberanie základných geometrických tvarov na povrch objektu. MM/2008

16. Level of detail – úroveň detailov • ponúka priestorovú informáciu o umiestení objektu v kompozícii scény • je faktorom, ktorý určuje tvar a počet polygónov potrebných na modelovanie povrchu. • LOD by sa mala meniť v závislosti na pozícii voči pozorovateľovi. Objekty v popredí musia mať vyššiu LOD, aby boli pozorovateľovi zdanlivo viac priblížené. Objekty na pozadí majú nižšiu úroveň detailov, pretože sú od pozorovacieho bodu vzdialené. MM/2008

17. Pravidlá tvorby celku • Uvažovanie v súvislostiach – skôr ako začneme modelovať objekt musíme si rozmyslieť jeho umiestenie a súvislosti na snímku, či bude statický alebo dynamická a pod. • Používanie obrazových náznakov – karikatúra obrysov je obdoba obrazových poznámok a náčrtov, zdôrazňujúca dominantné znaky tvaru objektu alebo obrazu. Používa sa, aby divákovi poskytla dostatok informácii na rozpoznanie objektu. MM/2008

18. Pravidlá tvorby celku • Úvahy o náhradných riešeniach – detaily k objektom pridávame, aby sme ho vytvorili viac realistický (pekný, škaredý, opotrebovaný, čisto nový, poškodený a pod,) Povrchové detaily veľmi podobného vzhľadu môžeme vytvoriť pomocou: • geometrie základných tvarov • textúr definujúcich nerovnosti povrchu • vytlačovacích máp. MM/2008

19. Svetelná energia a vnímanie farieb • Ak je svetelná energia atmosférickými podmienkami znížená, farby objektov sa zdajú menej živé alebo dokonca bezfarebné. Toto je jeden z najdôležitejších faktorov, ktoré ovplyvňujú vnímanie svetla. Nižšia svetelná energia spôsobuje odpovedajúce zníženie fyzickej schopnosti nášho oka vidieť farby. • Za súmraku sa farby z červenej časti viditeľného spektra stávajú šedé a splývajú s tieňmi v okolitom prostredí a stávajú sa takmer neviditeľnými. Naproti tomu sa žiarivo zelené a oranžové farby za znížených svetelných podmienok zdajú biele a sú tak lepšie viditeľné. MM/2008

20. Techniky ovplyvnenia osvetlenia • Pri svetelnom zdroji vrhajúcom tieň je vhodné umiestniť jeho duplikát s rovnakým umiestnením, ale bez vrhania tieňov a obe svetlá nastaviť na polovičnú intenzitu požadovanej výslednej intenzity. • Regulovaním pomeru intenzít týchto dvoch svetiel pri dodržaní ich konštantného súčtu je možné meniť kontrast vrhnutého tieňa bez zmeny celkového osvetlenia. MM/2008

21. Techniky ovplyvnenia osvetlenia • Simulácia denného svetla zabezpečí už spomínaná dvojica svetiel s ďalším svetelným zdrojom v presne protichodnom smere bez vrhania tieňov a zlomkovou intenzitou. Je vhodné použiť rovnobežné alebo veľmi vzdialené bodové svetelné zdroje. • Interiéry je niekedy vhodné osvetliť „cez strop“, ak program umožňuje zakázať vrhanie tieňov pre objekty stropnej konštrukcie. MM/2008

22. Súradnicové osi • Používajú sa na znázornenie konkrétnych smerov v trojrozmernom priestore. • Univerzálnym symbolom použitým pre súradnicové osi sú tri navzájom kolmé úsečky, ktoré sa pretínajú v počiatku súradnicového systému – v bode 0,0,0 a sú označené písmenami x, y a z. • Miery v 3D programoch sú zapísané použitím týchto hodnôt x, y a z pre každý osový smer. Každý objekt má teda svoju polohu, ktorá je zapísaná pomocou súradníc – číselných hodnôt, ktoré udávajú jeho polohu na osiach x, y a z. MM/2008

23. Merné jednotky • Relatívne číselné hodnoty súradníc, teda jednotky môžu byť vo väčšine 3D programov nastavené podľa ľubovoľného štandardného systému merania. • Pravidlá pre prácu s jednotkami sú jednoduché a predstavujú iba zadanie numerickej hodnoty výšky, šírky alebo hĺbky objektu do príslušných osi x, y, z. MM/2008

24. Premietanie • Priestorové objekty sú väčšinou zobrazované na dvojrozmerných zobrazovacích zariadeniach (monitor a pod.). Transformácia trojrozmerných objektov do dvojrozmernej podoby je realizovaná premietaním, pri ktorom dochádza k strate informácie.  • Premietanie (projekcia) v počítačovej grafike znamená transformáciu trojrozmerného priestoru (3D) do dvojrozmerného (2D) - všeobecne transformáciou z n-rozmerného do m-rozmerného priestoru pričom m<n. • Priemetňou nazývame rovinu v priestore, do ktorej transformujeme (premietame) objekty. MM/2008

25. Premietanie ... Najčastejšie sa používajú nasledujúce spôsoby premietania :  • rovnobežné • stredové • axonometrické • Štúdiom premietacích metód sa zaoberá deskriptívna geometria. Tá rozlišuje škálu postupov určených na to, aby sme aj z dvojrozmerného obrázku získaného premietaním mohli spätne odvodiť rôzne priestorové parametre ako uhly alebo vzdialenosti. (pôdorys, nárys a bokorys) MM/2008

26. Priestorová prezentácia telies • V počítačovej grafike pracujeme s modelmi objektov, ktoré môžeme reprezentovať mnohými rôznymi spôsobmi, V súčasnej dobe sa v trojrozmernej počítačovej grafika a v súvisiacich oboroch najčastejšie používa hraničnáreprezentácia. Existujú dva najčastejšie spôsoby vymedzenia hranice telesa: • polygonálna (plôšková) reprezentácia – aproximuje oblé plochy telesa elementárnymi rovinnými plôškami, najčastejšie trojuholníkmi • analytická reprezentácia – popisuje teleso matematickou funkciou, obyčajne nejakou hladkou plochou. MM/2008

27. Polygonálna reprezentácia • Je pravdepodobne najčastejšie používanou metódou reprezentácie objektov v počítačovej grafika. Základným stavebným prvkom tejto reprezentácie je trojuholník, aj keď väčšina štandardov pre zobrazovanie priestorových dát (GL, Direct3D) podporuje aj štvoruholníky a mnohouholníky. Základnou výhodou plôškovej reprezentácie je, že zobrazovanie takto vytvorených modelov býva podporované technickým vybavením počítača. MM/2008

28. Polygonálna reprezentácia • Plôšková reprezentácia je na modelovanie dosť nevýhodná. Z toho dôvodu modelovacie programy obyčajne pracujú aj s inou reprezentáciou (najčastejšie z NURBS plochami) a siete trojuholníkov generujú až na svojom výstupe. • Nevýhodou je aj tzv. geometrickýalias. Tento nežiaduci efekt sa prejavuje pri zmene mierky. Pôvodne spojité teleso, ktorého dva uzly sú reprezentované dvoma oddelenými údajmi, sa pri zmene mierky môže opticky roztrhnúť, lebo dôjde k chybe vplyvom konečnej presnosti zobrazovania čísel v pamäti počítača. MM/2008

29. Analytická reprezentácia • Analytické vyjadrenie hranične reprezentovaných telies sa opera o pomerne rozsiahlu teóriu kriviek a plôch. V počítačovej grafike sa dnes používajú prevažne parametricképlochy, aj keď implicitné plochy tu nachádzajú stále väčšie uplatnenie. MM/2008

30. Parametrické plochy • Sú najčastejšie používaným nástrojom na modelovanie v počítačovej grafike. Na parametrickú plochu sa môžeme pozerať ako na množinu vzniknutú ťahaním krivky po nejakej trajektórii – dráhe, pričom táto krivka pri svojom ťahaní môže meniť svoj tvar. MM/2008

31. Typy parametrických plôch • Beziérove krivky - jednoduchý výpočet, ľahké a intuitívne modelovanie, výpočet priesečníka s plochou, neumožňujú vyjadrenie kužeľosečiek... • B-spline krivky - plocha leží celá v konvexnej obálke, svojich riadiacich bodov, pri zmene jedného bodu zmenia tvar len tie pláty, ktoré sú týmto bodom určené, sú invariantné k lineárnym transformáciám (otáčanie, posun, mierka, skosenie), plocha všeobecne neprechádza krajnými bodmi definujúceho riadiaceho polygónu toho možno docieliť násobnosťou riadiacich bodov. MM/2008

32. Typy parametrických plôch • NURBS plochy – umožňujú definovanie nielen voľne tvarovateľných plôch, ale aj kužeľosečiek a vďaka nim aj takých geometrických objektov ako je guľa alebo valec. Sú invariantné k lineárnym transformáciám a navyše aj k perspektívnej projekcii, majú pomerne zložitý matematický popis, pre reprezentáciu niektorých klasických objektov ako je guľa alebo valec je potreba relatívne veľké množstvo dát. MM/2008

33. Konštrukcia scény • Pokiaľ sa jedná o telesá a plochy, je treba definovať nielen ich farbu, ale aj parametre odrazu svetla potrebné pre osvetľovací model a textúru, ktorá pokrýva povrch. Je zrejmé, že mnoho informácií sa v scéne opakuje. T týchto dôvodov sú často umiestnené do hierarchickejštruktúry, vyjadrujúce rôzne vzťahy medzi objektmi. Vhodnou štruktúrou je strom - strom, orientovaný od koreňa k listom, je schopný vyjadriť nasledujúce vzťahy: • dedenie vlastností • vznik inštancií MM/2008

34. Hierarchická štruktúra MM/2008

35. CSG Konštruktívna geometria telies • V niektorých aplikáciách, hlavne o oblasti CAD systémoch, sa telesá popisujú spôsobom, ktorý odráža postupy používané konštruktérom pri tvorbe telesa. Metóda je založená na reprezentácii telesa stromovou štruktúrou CSG stromu, uchovávajúca históriu čiastočných konštrukčných krokov. • Z jednoduchých geometrických objektov, tzv. CSG primitív, je pomocou množinových operácií a priestorových transformácií vytvorený výsledný objekt. MM/2008

36. Konštruktívna geometria telies MM/2008

37. Zobrazovací reťazec • Zobrazenie scény kombinuje postupy v predchádzajúcich častiach. Objekty na scéne sú vhodným spôsobom transformované, premietnuté do roviny, je určená viditeľnosť, vypočítaná farba, osvetlenie a sú pokrytétextúrou. Čiastkové kroky tohto procesu možno vykonať postupne za sebou. MM/2008

38. Zobrazovací reťazec MM/2008