Computergrafik - Freie Universität Berlin

HTW Dresden | Semester overlapping Computergrafik - Freie Universität Berlin

Computergrafik - Freie Universität Berlin

Liebe Studierende,

ich freue mich auf unsere gemeinsame Veranstaltung Computergrafik im SoSe 2024.

Die Veranstaltung findet regulär und in Präsenz an der Freien Universität Berlin statt:
Vorlesung Fr 10-14 Uhr (c.t.), Takustr. 9, SR 005
Übung Fr 14-16 Uhr (c.t.), Takustr. 9, SR 005 (Mahmoud Elashmawi)

Materialien zur Veranstaltung, wie Vorlesungsvideos-, skripte, Übungsaufgaben usw. finden
sich allerdings hier auf der OPAL-Plattform.

Ihr müsst nicht darauf warten, eine offizielle Lehrevaluation anzugeben. Ich habe immer
ein offenes Ohr für Anregungen, Meinungen und Kritik von Eurer Seite. Macht also regen
Gebrauch davon! 
Es ist schließlich Eure Veranstaltung!

Didaktisches Konzept und Ablauf der Veranstaltung

In der ersten Vorlesung erläutere ich das didaktische Konzept und den Ablauf dieser 
Veranstaltung:

Das Konzept orientiert sich am sogenannten Flipped-Classroom und dafür werden Euch
Materialien (Videos, Skripte, Bücher, Programme, Aufgaben, ...) zur selbstständigen
Bearbeitung zur Verfügung gestellt. Wir treffen uns dann zu regelmäßigen Konsultationen
und besprechen dort offene Fragen und können Themen vertiefen. In der Regel starten
wir mit einem gemeinsamen Quiz (Kahoot). In den Übungen werden wir Eure Lösungen
besprechen und schauen, wie sich zunächst vielleicht schwierige Aufgabenstellungen
doch zufriedenstellend lösen lassen. Im Praktikum werden wir Eure Projekte begleiten und
den aktuellen Stand besprechen, bzw. gemeinsam Problemlösungen diskutieren.

Für die Vorlesungen werden Videos und Skripte bereitgestellt. Es ist zu empfehlen, die
Videos im Windows-Mediaplayer anzuschauen, da dort 
die Darstellung der Übergänge
deutlich besser ist als bspw. in VLC. Die aktualisierten Vorlesungsvideos stehen für das
komplette Semester bereit. Damit habt Ihr die Gelegenheit, Euch die Vorlesungen anzuschauen,
wann immer es passt und so oft es notwendig ist. Das hat sicherlich ein paar große Vorteile,
aber auch den Nachteil, dass Ihr Euch organisieren müsst. Falls es Fehler oder Unklarheiten
auf den Folien oder im Buch [1] geben sollte, dann teilt das bitte mit. Ich kann die Inhalte
gerne korrigieren, überarbeiten und erweitern.

Stoffnachbereitung und Klausurvorbereitung

Zu jedem Vorlesungsteil gibt es in der Beschreibung Hinweise zum Lösen der Übungsaufgaben.
Gerne könnt Ihr Musterlösungen bereitstellen, die dort für alle zur Verfügung gestellt werden.

Am Ende jedes Vorlesungsteils sind Fragen und Aufgaben zur selbstständigen Bearbeitung zu
finden.
Als weitere Nachbereitung des Stoffes und für die Klausurvorbereitung habe ich damit
begonnen, auf Kahoot ein paar Quizfragen anzulegen.
Zu Beginn jeder Konsultation werden wir
das neue Quiz gemeinsam starten und bei jeder Frage
gehe ich auf die Aufgabenstellung mit
Lösung direkt ein.

Zeitplan und Inhalte

Hier findet Ihr eine kleine Auflistung der Termine für die Vorlesungsteile, Übungen und Praktika
(wird ständig aktualisiert und erweitert). Wir starten 
bereits in der ersten Vorlesungswoche.
Die Termine sind wichtig, damit wir 
organisatorische Dinge gleich zu Beginn festlegen können:

 KW  Vorlesungsthemen  Termine und Inhalte (SR 005)
 16

 01 Geschichte und Grundlagen der
      Computergrafik I

 A Geschichte und Disziplinen der Computergrafik
    (live, kein Video)
 B Alles dreht sich nur um Punkte
 C Punkte und Linien unter der Lupe
 D Linien, Komplexität und Antialiasing

 VL 19.04.2024, 10 Uhr:
 
Kennenlernen, Besprechung der
 Ziele der Veranstaltung und
 Eurer Ziele, Motivation für  
 Veranstaltungsinhalte und -
 ablauf, VL 01/A in Präsenz

 ÜB 19.04.2024, 16 Uhr: 
 Übungen "zum Warmwerden"

 17

 02 Grundlagen der Computergrafik II

 A Polygone, Kreise und Ellipsen
 B Flächen füllen und Clipping

 VL 26.04.2024, 10 Uhr:
 Konsultation 
zu Teil 01

 ÜB 26.04.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 01

 18

 03 Einführung in OpenGL und LWJGL

 A Eclipse vorbereiten und LWJGL einrichten
 B Grundlegendes zu OpenGL
 C Objekte erstellen, speichern und laden
 D Beschleunigung und Langlebigkeit durch
    Buffer-Objects

 VL 03.05.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 02

 ÜB 03.05.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 02

 19

 04 Spiele- und Simulationsumgebung

 A Kleine Spielumgebung schaffen
 B Kollektive Intelligenz und Schwarmverhalten

 KEINE VORLESUNG
 KEINE ÜBUNG

 20

 05 Einführung in die Shaderprogrammierung

 A Konvolution und Blur-Effekt
 B Einführung in Vertex- und Fragment-Shader
 C Blur-Effekt mit Shader

 VL 17.05.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 03 und 04

 ÜB 17.05.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 03 und 04

 21

 06 Entwicklung einer Wassersimulation

 A Realisierung einer einfachen Wasserdynamik
 B Refraktion und Schatten
 C Reflexion und Kaustik
 D Experimentelle Wassersimulation

 VL 24.05.2024, 10 Uhr:
 Konsultation zu Teil 05

 ÜB 24.05.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 05

 22

 07 Grundlagen der Beleuchtung

 A Grundlagen des Beleuchtungsdesigns
 B Komposition einer Szene
 C Vektoren als Richtungen, Positionen und Farben
 D Einführung in lokale Beleuchtungsmodelle
 E Elementare Beleuchtungsmodelle

 VL 31.05.2024, 10 Uhr:  
 Konsultation zu Teil 06

 ÜB 31.05.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 06

 23

 08 Schattierung und grundlegende
      Mesostrukturen

 A Schattierungsmodelle und visuelle Wahrnehmung
 B Objekte mit Texturen bekleiden
 C Beleuchtungselemente in Texturen verstecken

 VL 07.06.2024, 10 Uhr:  
 Konsultation zu Teil 07

 ÜB 07.06.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 07

 24

 09 Transformationen und Koordinatensysteme

 A Transformationen als Vollzeitjob
 B Die Koordinatensysteme der Renderpipeline

 VL 14.06.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 08

 ÜB 14.06.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 08

 25

 10 Mikrostrukturen und BRDF

 A Die Suche nach dem heiligen Gral

 VL 21.06.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 09

 ÜB 21.06.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 09

 26

 11 Verbesserung der Mesostrukturen und
      Einführung in Echtzeitschatten

 A Displacement-Mapping
 B Einführung in Echtzeitschatten

 VL 28.06.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 10

 ÜB 28.06.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 10

 27

 12 Computergrafik vs. Computervision

 A Computergrafik, aber invertiert!
 B 3D-Rekonstruktionen in der Praxis

 VL 05.07.2024, 10 Uhr:
 
Konsultation zu Teil 11

 ÜB 05.07.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 11

 28

 Konsultation und Klausurvorbereitung

 Materialien sind dabei, Antwortenkatalog zu den 
 Skriptfragen sind vollständig, letzte Fragen sind    
 vorbereitet, gemeinsame Klausurvorbereitungen

 VL 12.07.2024, 10 Uhr:
 Konsultation zu Teil 01 bis 13

 ÜB 12.07.2024, 16 Uhr: 
 Übung zu Teil 01 bis 13

 29  14 KLAUSUR

 19.07.2024, 10 Uhr
 Klausur ohne Hilfsmittel,
 90 Minuten

 

Lehrbücher zur Veranstaltung

Ich werde in der Veranstaltung fast hauptsächlich auf zwei Lehrbücher zurückgreifen.

Lehrbuch: Warum sich der Dino furchtbar erschreckte, 3. Auflage, 2021

Es gibt mit dem Dino-Buch [1] ein sinnvolles Lehrbuch zur Veranstaltung, dass den Großteil der
Vorlesungsinhalte abdeckt, weiter vertieft und mit Aufgaben (teilweise auch Lösungsvorschlägen
dazu) den Lernprozess unterstützt:

Das Buch steht in der FU-Bibliothek zur Verfügung. Für aktive Teilnehmer meiner Veranstaltungen
gibt es einen sogenannten Hörerschein, mit dem Ihr eine Buchbestellung (außer das E-Book)
bei mir vergünstigt erhaltet (Vollversion 42 EUR statt 59.98 EUR und Studierendenversion 22 EUR
statt 34.98 EUR). Sprecht mich einfach an.

Programmpaket für Eclipse und Java (Update und BugFixes)

Wir werden intensiv mit dem Buch [1] arbeiten und die Programmsammlung dazu nutzen. Das 
Passwort zum Entpacken des Programmcodes von der vividus-Webseite lautet: "Computergrafik".

Update zur Buchversion
Die Ausgabe der geladenen Objekte in der Klasse ObjekteLadenUndDrehen.java wird
momentan mit einem Parameter size angepasst. Für quadratische Ausgaben funktioniert das
sehr gut, bei anderen Ratios nicht. Daher habe ich einen kleinen BugFix für Euch. Verwendet
die neuen Versionen der Klassen Model.java und ObjekteLadenUndDrehen.java aus
dem OPAL-Ordner Materialien, Code, Eclipsepakete.

Die Spieleumgebung (Partikelsimulation und Schwarmverhalten), die wir noch entwickeln werden,
ist auch eine gute Basis für agenten-basierte Simulationen. Als Beispiel habe ich Euch mal eine
Simulation, die ich auf dem Youtube-Kanal von 3Blue1Brown schon vor einer Weile gesehen habe,
in weniger als zwei Stunden nachprogrammiert:
https://www.youtube.com/watch?v=gxAaO2rsdIs

In diesem Beispiel zeige ich auch, wie sich dynamische Histogramme erstellen und transparent
darstellen lassen:

http://www.vividus-verlag.de/beleuchtung_und_rendering/videos/chap1_15_pandemic_simulation.mp4

Es geht um eine Pandemie-Simulation, bei der sich ein Virus ausbreitet. Blau sind die Gesunden, 
hell-rot sind die Infizierten, dunkel-rot die Infektiösen und grau die Genesenen.

Wer sich für den Code interessiert, kann mich einfach ansprechen.

Lehrbuch: 3D-Dokumentationen in der Archäologie, 1. Auflage, 2023

Die letzten Vorlesungsthemen beschäftigen sich mit dem Umkehrprozess der Computergrafik, aus
Aufnahmen der realen Welt, Modelle der Computergrafik abzuleiten [2]. Anschaulich im
Anwendungsgebiet der Archäologie werden die notwendigen Konzepte und Programme vorgestellt:

Das Buch steht ebenfalls in der FU-Bibliothek zur Verfügung. Auch hier gibt es einen es einen
sogenannten Hörerschein, mit dem Ihr eine Buchbestellung (außer das E-Book) bei mir vergünstigt
erhaltet (Vollversion 35 EUR statt 49.98 EUR und Studierendenversion 22 EUR statt 34.98 EUR).
Sprecht mich dazu einfach an.

Auf der Buchwebseite befinden sich zahlreiche Datensätze aus der Praxis und einige Programme,
die sich für die foto- und videobasierte 3D-Rekonstruktion eignen.

[1] Block-Berlitz, Marco: "Warum sich der Dino furchtbar erschreckte - Lehrbuch zu Beleuchtung
und Rendering mit Java, LWJGL, OpenGL, OpenCV und GLSL
", 3. Auflage, ISBN: 978-3-9819362-9-2,
vividus Wissenschaftsverlag, 2021

[2]  Block-Berlitz, Marco: "3D-Dokumentationen in der Archäologie - Lehrbuch zu foto- und
videobasierten Kampagnen mit Kameras, Multicoptern und Mini-U-Booten mit vielen Beispielen,
Videos, Daten und Tipps aus der Praxis", 1. Auflage, ISBN: 978-3-949667-04-6,
vividus Wissenschaftsverlag, 2023

 

Grüße,
Marco Block-Berlitz

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