1 컴퓨터 그래픽스 교재 : Interactive Computer Graphics 컴퓨터 그래픽스 ( 사이텍 미디어 ) 담당교수 : 구 자 영 연구실 : 자연과학관 509 호 tel :031- 8005-3229

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1 1 컴퓨터 그래픽스 교재 : Interactive Computer Graphics 컴퓨터 그래픽스 ( 사이텍 미디어 ) 담당교수 : 구 자 영 연구실 : 자연과학관 509 호 tel :031- 8005-3229 email : jykoo@dankook.ac.kr jykoo@dankook.ac.kr

2 2 그림..

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7 7 Computer Graphics 과목의 목표 컴퓨터 그래픽스 시스템의 내부구조와 동작원리를 배운다 OpenGL 을 이용한 그래픽 프로그램의 작성능력을 배양한다

8 8 주 Contents 주 1 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델 9 음영 2 그래픽스 프로그래밍의 기초 10 구현 기법 3 그래픽스 시스템에서의 입력과 상호작용 11 계층적 모델 4 기하학적 객체의 변환 112 곡선과 곡면 1 5 기하학적 객체의 변환 213 곡선과 곡면 2 6 관측 114 이산적 기법 1 7 관측 215 이산적 기법 2 8 중간고사 16 기말고사 강의계획표

9 9 평가 방법 중간고사 -40%, 기말고사 -40%, 과제 -20% 과제 제출기한 엄수 무단결석 불인정

10 10 1 장 그래픽스 시스템과 모델 - 응용, 역사, 시스템 학습목표 분야별로 컴퓨터 그래픽스가 응용되는 사례를 이해한다 컴퓨터 그래픽스의 발전과정을 개략적으로 이해한다 그래픽 출력장치의 일반적인 작동원리를 이해한다.

11 11 그래픽스의 응용분야 컴퓨터 그래픽스 “ 컴퓨터를 사용하여 그림을 생성하는 기술 ” 수작업 대 컴퓨터 생성 = 창조 (cf. 영상처리 ) 그래픽스 응용분야

12 12 캐드 Computer-Aided Design 설계에 필요한 인력, 시간, 노력 등을 단축함으로써 설계효 율을 향상 Computer-Aided Manufacturing Numerical Control Machine 자동생산에 따른 효율과 가공의 정밀도 향상 기계부품 렌더링 자동차 겉모습 렌더링

13 13 프레젠테이션 그래픽스 막대 차트 (Bar Chart), 선 그래프 (Line Chart), 파이 차트 (Pie Chart), 입체 그래프 (Surface Graph) 백문 ( 百聞 ) 이 불여일견 ( 不如一見 ) 시선을 잡아 집중시킨다 시연용 슬라이드 예

14 14 가상현실 Virtual Reality “ 존재하지 않는 가상의 환경을 구성하되 그것이 마치 현 실과 똑같이 느껴지도록 만드는 데 주안점 ” 기술적 요소 입체화면, 3 차원 입체 음향, 데이터 장갑 장면 데이터베이스, 그래픽 소프트웨어 인지과학, 전자공학, 기계공학, 음향학 HMD 데이터 글로브 데이터 글러브

15 15 Virtual Walkthrough 레이 트레이싱에 의한 렌더링

16 16 미술 무선 스타일러스 펜 그래픽 소프트웨어 촬영 영상 파스텔 처리

17 17 애니메이션 및 게임 Ants 소요 내역양 총 프레임 ( 정지화면 ) 수 119,592 개 렌더링에 소요된 시간 275,000 시간 평균 정지 프레임 크기 6 MB 렌더링에 사용된 실리콘 그래픽 서버 수 270 대 프로세싱에 사용된 데스크 탑 컴퓨터 수 166 대 프로세서 당 평균 메모리 용량 156MB 1 개의 프로세서로 제작할 경우의 소요시간약 54 년 영화 저장을 위한 보조기억 장치 용량 3.2 TB 매 순간 온 라인으로 공유된 프레임 수 75,000 개 Ants 의 제작에 소요된 재원

18 18 애니메이션 및 게임 캐릭터, 배경화면, 애니메이션 사용자와 프로그램 사이의 상호작용 설계 상호작용에 걸리는 시간을 최소화하는 것이 중요 시장성 면에서 볼 때 무한한 가능성 스타크래프트 게임

19 19 교육 및 훈련 CAI(Computer Aided Instruction) 학습 보조도구로서 컴퓨터를 활용 컴퓨터에 내재하는 추론 기능과 지식 데이터베이스 텍스트 + 시각 정보를 활용 Ex. Exploded View 기계부품의 폭발 조망

20 20 교육및 훈련 시뮬레이션 비행 시뮬레이션 운전 시뮬레이션

21 21 과학분야 가시화 SCI VIS(Scientific Visualization) 대용량 정보분석 자연현상을 시각화. 현상 내부의 패턴이나 추세를 직관적으로 파악 기류 분석 분자 구조 I 3 차원 렌더링

22 22 그래픽 사용자 인터페이스 GUI(Graphic User Interface) 메뉴, 스크롤바, 아이콘, … 사용자 편의를 고려 3D 스튜디오 맥스

23 23 그래픽스 기술의 변천 - 그래픽 히스토리 ‘60 Ivan Sutherland 컴퓨터 그래픽의 창시자 대화형 컴퓨터 그래픽 개념 : 라이트 펜으로 의사전달 스케치패드 프로젝트 직선, 원호 등 기본적 그래픽 요소를 사용하여 물체를 표현하는 방법 기본물체를 조합하여 큰 물체를 모델링한다는 계층구조 모델링 물체를 선택하여 이동하는 방법 팝업 메뉴에 의한 사용자 입력 1960William Fetter “ 컴퓨터 그래픽 ” 이란 용어를 최초로 사용 1963Ivan Sutherland 컴퓨터 그래픽의 제반 개념을 확립 1963Douglas Englebart 최초의 마우스 프로토타입 1965Jack Bresenham 선분 그리기 알고리즘을 개발 1960 년대 사건

24 24 그래픽 히스토리 ‘70 그래픽 알고리즘의 시기 1971Gouraud 구로 셰이딩 알고리즘 1973John Whitney Jr. 컴퓨터 그래픽에 의한 최초의 영화 “West World" 1974Edwin Catmuff 텍스쳐 매핑, 지 - 버퍼 알고리즘 1974Bui-Tong Phong 전반사에 의한 하이라이트 알고리즘 1975Martin Newell 베지어 표면 메쉬를 사용한 차 주전자 모델 1975 Benoit Mandelbrot 프랙탈 이론 1976Jim Blinn 주변 매핑, 범프 매핑 이론 1977Steve Wozniak 컬러 그래픽 PC: Apple II 1977Frank Crow 앤티 에일리어싱 알고리즘 1979Kay, Greenberg 최초로 투명한 물체 면을 그려냄 1970 년대 사건

25 25 그래픽 히스토리 ‘80 PC 의 시대, 래스터 그래픽 하드웨어 기하 엔진 출현 1980Turner, Whitted 광선 추적 알고리즘 1982Steven Lisberger 3 차원 그래픽 애니메이션 “Tron" 1982 John Walkner, Dan Drake "AutoCAD" 1983Jaron Lanier 데이터 장갑을 사용한 가상현실 영화 1985Pixar "Luxo Junior" 1985NES 가정용 게임 "Nintendo" 1986Steve Jobs Lucasfilm 사의 Pixar 그래픽 그룹을 인수 1987IBM VGA 그래픽 카드 1989IBM SVGA 그래픽 카드 1989Pixar "Tin Toy" 아카데미상 수상 Luxo Junior Tin Toy 1980 년대 사건

26 26 그래픽 히스토리 ’90 사실적 (Photo-realistic) 그래픽 영상에 주력 1990Pixar: Hanrahan, Lawson 렌더링 소프트웨어 "Renderman" 개발 1990Gary Yost 3-D Studio 개발 1991Disney and Pixar "Beauty and the Beast" 1992Silicon Graphics openGL 사양 발표 1993Steven Spielberg "Jurassic Park" 1995Pixar "Toy Story" 1995Microsoft DirectX API 사양 발표 1996 John Carmack, Michael Abrash Quake 그래픽 엔진 개발 1999NVIDIA GeForce 256 GPU 1990 년대 사건 NVIDIA GeForce 256

27 27 그래픽 히스토리 ‘2000 영화, 게임 응용의 시기 2001Square "Final Fantasy: The Spirits Within" 2003Timothy Purcell 광선추적 기법을 GPU 에 적용 2004Id Software Doom Engine 발표 2004DirectX, openGL New Version 발표 2000 년대 사건 Doom

28 28 Ex - GPU 를 이용한 실시간 렌더링

29 29 그래픽 시스템 입력 장치, 메인 컴퓨터, 그래픽 컨트롤러, 출력장치 그래픽 컨트롤러 그래픽 프로세서 그래픽 메모리 그래픽 하드웨어 구성 그래픽 시스템 - 하드웨어 구성

30 30 워크스테이션 SGI FUEL HP XW 9300 SGI HP

31 31 CRT 기본원리 진공관 모니터의 작동원리

32 32 래스터 그래픽 장비 화소 = Picture Element = Pixel = Raster 인점 (Phosphor Dots) 종횡비 (Aspect Ratio) 4 : 3 TV 16 : 9 HDTV 해상도 (Resolution) 도트 피치 (Dot Pitch) 트라이어드 방식, 스트라이프 방식 트라이어드 방식과 스트라이프 방식

33 33 화면 선명도 샤도우 마스크, 애퍼처 그릴 샤도우 마스크 II 샤도우 마스크 I

34 34 인터레이싱 주사선 (Scan Line) 인터레이싱 ( 비월주사, 飛越走査, 짜깁기, Interlacing, Interleaving) Hz: 30 Full Frame/Sec 보다는 60 Half Frame/Sec NTSC TV 표준 : 60 Half Frame/Sec, 525 Scan Line, 4:3 Aspect Ratio 영상, 화소, 주사선 사이의 관계

35 35 래스터 그래픽 디스플레이 화소단위 컬러링 계단현상 = Jaggies = Alias 래스터 화 (Rasterization) = 스캔 변환 (Scan Conversion) 물체 좌표에서 화면 좌표로 부동소수 좌표에서 정수 좌표로 래스터 그래픽 디스플레이

36 36 프레임 버퍼 Frame Buffer = Color Buffer = Video Memory DA 변환기 프레임 버퍼 ( 디지털 정보 ) -> 아날로그 전압 거의 동시 ( 매우 빠름 ) 프레임 버퍼

37 37 Non-Interlacing vs. Interlacing 넌 - 인터레이싱 / 인터레이싱

38 38 비트 평면 24 비트 (R, G, B) =(8, 8, 8) R, G, B 각각에 대해 256 회색도 (Gray Level) 총 몇 컬러 ? 1280 by 1024, 총 512 컬러 프레임 버퍼 용량은 ? 프레임 버퍼의 비트 평면

39 39 벡터그래픽 장비 Vector Display, Calligraphic Display, Stroke Display, Random Display 화소개념 없음 무한 해상도 ( 전자빔의 폭 -> 해상도 ) 에일리어싱 없음 전자총의 움직임 벡터 그래픽 장치의 주사선 움직임

40 40 벡터그래픽 장비 화소개념 없음 프레임 버퍼 없음 디스플레이 리스트 : 명령어 집합 디스플레이 리스트

41 41 래스터 장비와 벡터 장비 래스터 장치 대 벡터 장치 래스터 그래픽 대 벡터 그래픽

42 42 벡터그래픽 장비 빔 투과 방식 오실로스코우프, 레이더, 플로터, Evans/Sutherland PS Series 투과 벡터 그래픽 렌더링 오실로스코우프

43 43 평판형 디스플레이 : LCD Liquid Crystal Display 컬러 = 액정의 배열상태 변화 블라인드 커튼 노트북 PDA LCD 화소 구조

44 44 평판형 디스플레이 : LCD LCD 와 CRT 디스플레이 장치의 비교

45 45 평판형 디스플레이 : PDP Plasma Display Panel 표면방전에 의한 번개 형광등 극광 번개 플라즈마 화소

46 46 평판형 디스플레이 : PDP PLASMA 와 LCD 디스플레이 장치의 비교

47 47 입체영상 좌우 눈의 인식차이 액정셔터 안경 렌즈 배열 [ 입체영상 원리 액정 셔터 안경 렌즈배열 방식

48 48 홀로그래피 모든 방향에서 3 차원 뷰 cf. 셔터 안경 레이저와 육각렌즈 사용 Pincess Leia in Star Wars 홀로그래피

49 49 OpenGL 의 설치 library headerlibdll glgl.hopengl32.libopengl32.dll gluglu.hglu32.libglu32.dll glutglut.hglut32.libglut32.dll ABC A -- C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Include\GL B -- C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Lib C -- C:\WINDOWS\system32 glut download - http://www.xmission.com/~nate/glut.html

50 50 Visual C++ setting

51 51 VS 의 버전별 glut 의 설치 glut32.dll : C:\WINDOWS\system32\ glut32.lib : C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\lib\ glut.h : C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\include\GL\ => 설정 project -> 해당프로젝트명 properties.. -> Configuration Properties -> Linker -> Input 항 목 중 Additional Dependencies 에 opengl32.lib glut32.lib glu32.lib 를 입력 glut32.dll : C:\WINDOWS\system32\ glut32.lib : C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 8\VC\PlatformSDK\lib\ glut.h : C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 8\VC\PlatformSDK\include\GL\ glut32.dll : C:\WINDOWS\System32\ glut32.lib : C:\Program Files\VisualStudio\VC98\Lib\ glut.h : C:\Program Files\VisualStudio\VC98\Include\GL\ => 설정 project -> Setting -> Link 탭항목 중 Object/library modules: 에 opengl32.lib glut32.lib glu32.lib 를 입력