Fundamental of Computer Graphics

Chapter 1

2

Introduction to Computer Graphic(1) คอมพวเตอรกราฟกส (Computer Graphics) ไดขยายขอบเขตมาสการสรางสรรคงานดานศลปะ และการออกแบบมากขน ซอฟตแวรคอมพวเตอรกราฟกไดรวมความพรอมของอปกรณกราฟกหลายดานเขาไวอยางครบครนดวยการจดวางอยางเปนระบบ ความกาวหนาอยางตอเนองของคอมพวเตอรกราฟกสกมไดเกดจาก ความส าเรจของการพฒนาโปรเซสเซอร (processor)

3

Introduction to Computer Graphic (2) มการพฒนาอปกรณตอพวง (Peripheral) ทเออตอการท างานและสนองการรบรของมนษยมากยงขน

มการน าคอมพวเตอรมาใชเปนเครองมอส าคญในการสรางสรรคงานของนกออกแบบ และศลปน

4

Why Study Computer Graphics? Computer Graphic is an essential part of the Computer Science Curriculum. It is the primary method of presentation of information from computer to human. As such it is a core Component of any computer system, with computer graphics Playing a major role in:

Entertainment – computer animation; User interfaces; Interactive visualization – business and science; Cartography; Medicine; Computer aided design; Multimedia system; Computer games; Image processing;

5

Computer Graphics คอมพวเตอรกราฟกส (Computer Graphics) หรอ ซจ (CG) คอ การประมวลผลขอมลดวยคอมพวเตอรโดยขอมลเขาเปนขอมลตวเลข ตวอกษร หรอสญญาณตาง ๆ แลวแสดงผลลพธทางจอภาพเปนขอมลเชงเรขาคณต รวมถงขอมลอน ๆ ของภาพ เชน ขอมลการเคลอนไหว การเปลยนแปลง ลกษณะการเชอมตอ และความสมพนธระหวางออปเจกตในภาพ รวมถงการศกษาระบบการแสดงภาพ ทงสถาปตยกรรมของเครองคอมพวเตอร อปกรณตอพวง หรออปกรณในการน าเขา และแสดงผล

6

A very brief history (1) ป ค.ศ. 1940 คอมพวเตอรแสดงภาพกราฟกโดยใชเครองพมพ โดยรปภาพทไดจะเปนภาพทเกดจากการใชตวอกษรมาประกอบกน ป ค.ศ. 1950 สถาบนเทคโนโลยแหงแมสซาซเซสต (MIT) ไดพฒนาคอมพวเตอร Whirlwind ซงมหลอดภาพ CRT (Cathode Ray Tube) เปนสวนแสดงผลแทนเครองพมพ

7

A very brief history (2) ระบบ SAGE (Semi - Automatic Ground Environment) ของกองทพอากาศสหรฐอเมรกาสามารถแปลงสญญาณจากเรดารใหเปนภาพบน จอคอมพวเตอรได ระบบ SAGE เปนระบบกราฟกเครองแรกทใชปากกาแสง (Light Pen) ส าหรบการเลอกสญลกษณบนจอภาพได

8

A very brief history (3)

Computer Whirlwind ของ MIT

9

A very brief history (4) ป ค.ศ. 1950 - 1960 มการท าวจยเรองเกยวกบระบบคอมพวเตอรเปนจ านวนมาก ซงตอมาไดกลายเปนตนแบบของระบบคอมพวเตอรกราฟกสมยใหม ป ค.ศ. 1963 วทยานพนธปรญญาเอกของ อวาน ซเธอรแลนด (Ivan Sutherland) เปนการพฒนาระบบการวาดเสน ซงผใชสามารถก าหนดจดบนจอภาพไดโดยตรงโดยการใชปากกาแสง ระบบกราฟกจะสามารถลากเสนเชอมจดตาง ๆ เหลานเขาดวยกน กลายเปนภาพโครงสรางรปหลายเหลยม ระบบนไดกลายเปนหลกการพนฐานของโปรแกรมชวยในการออกแบบระบบงานตาง ๆ เชน การออกแบบระบบไฟฟา และการออกแบบเครองจกร

10

A very brief history (5) ระบบหลอดภาพ CRT ในสมยแรกสามารถวาดเสนตรงระหวางจดสองจดบนจอภาพได แตภาพเสนทวาดจะจางหายไปจากจอภาพอยางรวดเรว ตองมการวาดซ าลงทเดมหลาย ๆ ครงในหนงวนาท เพอใหเราสามารถ มองเหนวาเสนไมจางหายไป ซงระบบแบบนมราคาแพงมาก ในชวงตนป ค.ศ. 1960 ในป 1963 อวาน ซเธอรแลนดไดออกแบบ Sketchpad ซงเปนระบบอนเทอรแอกทฟกราฟกเพอสรางภาพทางกราฟกได Sketchpad นใชจอ CRT, ปากกาแสง และแผนฟงกชนคยในการสรางงานกราฟก สามารถซมได เกบออปเจกตลงในหนวยความจ าได

11

A very brief history (6)

Sketchpad ของอวาน ซเธอรแลนด

12

A very brief history (7) ป ค.ศ. 1965 ระบบทวาดเสนซ าลงทเดมหลาย ๆ ครงนมราคาถกลงเนองจากบรษท ไอบเอม (IBM) ไดผลตออกมาขายเปนจ านวนมากในราคาเครองละ 100,000 เหรยญสหรฐฯ ป ค.ศ. 1968 บรษท เทคโทรนกส (Tektronix) ไดผลตจอภาพแบบเกบภาพไวไดจนกวาตองการจะลบ (Storage - Tube CRT) ซงระบบนไมตองการหนวยความจ าและระบบการวาดซ า ท าใหราคาถกลงมาก (เพยง 15,000 เหรยญสหรฐฯ) ท าใหเปนทนยมกนมากใน 5 ปตอมา กลางป ค.ศ. 1970 เปนชวงเวลาทอปกรณทางคอมพวเตอรเรมมราคาลดลงมาก ท าใหฮารดแวรของระบบคอมพวเตอรกราฟกมราคาถกลง ท าใหมการใชคอมพวเตอรกราฟกเรมในงานดานตาง ๆ มากขน

13

A very brief history (8) ซอฟตแวรทางดานกราฟกมการพฒนาควบคมากบฮารดแวร อวาน ซเธอรแลนด ผซงไดออกแบบวธการหลก ๆ รวมทงโครงสรางขอมลของระบบคอมพวเตอรกราฟก สตเฟน คน (Steven Coons, 1966) และปแอร เบเซอร (Pierre Bazier, 1972) ซงศกษาเกยวกบการสรางเสนโคงและภาพพนผว ท าใหปจจบนเราสามารถสรางภาพ 3 มต ไดสมจรงสมจงมากขน 10 ปตอมาไดมการพฒนาวธการสรางภาพมากมายส าหรบใชในระบบคอมพวเตอรกราฟก และปจจบนเรากไดเหนผลงานทสวยงามและแปลกตา ซงเปนผลจากการศกษาวจยตาง ๆ ในอดตนนเอง

14

ประเภทของงานกราฟก การสรางภาพกราฟกดวยคอมพวเตอร มวธการสราง 2 แบบคอ แบบบตแมพ (Bit Mapped) หรอบางครงเรยกวาแบบแรสเตอร (Raster) และแบบเวกเตอร (Vector) หรอสโตก (Stroked) แตละ แบบมวธการสรางภาพดงน

กราฟกแบบบตแมพ

15

ประเภทของงานกราฟก

16

ประเภทของงานกราฟก ความละเอยด (Resolution) หมายถง รายละเอยดทอปกรณแสดงกราฟกชนด หนงมอย คาความละเอยดมกระบเปนจ านวนพกเซลในแนวนอนคอแนวแกน X และจ านวนพกเซลในแนวตงคอแนวแกน Y

(ก) กราฟกของฟอนตแบบบตแมพ (ข) กราฟกแบบเวกเตอร

17

ประเภทของงานกราฟก

กราฟกแบบเวกเตอร (Vector) ใชสมการทางคณตศาสตรเปนตวสรางภาพ เชน วงกลม หรอเสนตรง เปนตน หลกทจะน าไปสกราฟกแบบเวกเตอรกคอ การรวมเอาค าสงทางคอมพวเตอรและสตรทางคณตศาสตรเพออธบายเกยวกบออปเจกต

18

เปรยบเทยบคณสมบตของกราฟกแบบบตแมพและแบบเวกเตอร

การแสดงภาพกราฟกบนจอภาพ กราฟกแบบบตแมพสามารถแสดงใหเหนทจอภาพไดเรวกวาแบบเวกเตอร

การเปลยนแปลงขนาดภาพใหใหญขนหรอเลกลงกวาภาพเดม กรณภาพแบบบตแมพจะท าไดไมมาก แตภาพแบบเวกเตอรจะสามารถยอและขยายขนาดไดมากกวา โดยสดสวนและลกษณะของภาพยงคลายเดม

19

ซอฟตแวรทางกราฟก (1) มาตรฐานซอฟตแวรทางกราฟก ป ค.ศ. 1979 คณะกรรมการวางแผนมาตรฐานซอฟตแวรทางกราฟก (GSPC : Graphic Standard Planning Committee) ไดพยายามบรหารจดการใหเกดมาตรฐานของซอฟตแวรทางกราฟกขนในสหรฐอเมรกา ใชระบบ CORE (Core Graphic System) ซงเปนมาตรฐานส าหรบระบบการแสดงภาพ 3 มต

ในเวลาใกลเคยงกนนนเอง สถาบนก าหนดมาตรฐานของประเทศเยอรมน (DIN : West German National Standard) กไดพฒนามาตรฐานกราฟกของตวเองขนมา โดยมชอเรยกวา GKS (Graphic Kernel System)

20

ซอฟตแวรทางกราฟก (2) GKS เปนมาตรฐานส าหรบระบบการแสดงภาพ 2 มต ทสนบสนนฮารดแวรทหลากหลาย และมภาษาคอมพวเตอรหลายภาษาทสามารถเรยกใช GKS ได เชน ภาษาปาสคาล ภาษาฟอรแทรน และภาษาซ เปนตน แต GKS ยงขาดสวนทเปน 3 มต

ป ค.ศ. 1982 ระบบ GKS ซงถกใชเปนมาตรฐานนานาชาตของระบบกราฟก ท าใหสมาคมกราฟกนานาชาต (International Graphics Community) พยายามรวบรวมมาตรฐาน CORE กบ GKS เขาเปนมาตรฐานเดยวกน แตไมส าเรจเนองจากมการเมองเขามาเกยวของ

มการพฒนาตอยอด GKS ใหมคณสมบตทางดาน 3 มต ซงเรยกวา GKS-3D โดยเพมเตมความสามารถดานคอมพวเตอรกราฟก 3 มต

มการพฒนามาตรฐานใหมใหเลอกใชงานอกดวย มาตรฐาน PHIGS (Programmer's Hierarchical Interface Graphics Standard) เปนระบบ ทพฒนาโดยยดพนฐานของคอมพวเตอรกราฟก 3 มต

ซอฟตแวรทใชมาตรฐานนสนบสนนการพฒนาสภาพแวดลอมทางกราฟกแบบมปฏสมพนธ หรอมการโตตอบกบผใช (Interactive Graphics Environment) เชน CAD/CAM การสรางโมเดลของแขง (Solid Model) หรอการสรางภาพจ าลอง (Simulation) เปนตน

มาตรฐาน PHIGS ยงมการพฒนาโดยเพมเตมความสามารถดานตาง ๆ เชน เสนโคง การใหแสง (Lighting) การใหเงา (Shading) หรอการสรางพนผว (Surface)

ซอฟตแวรทางกราฟก (3)

มาตรฐาน PHIGS ยงไดมการแตกแขนงมาอกมาตรฐานหนงทชอวา PHIGS+ ซงความสามารถยงคงแตกตางจากมาตรฐาน GKS และ GKS-3D อยพอสมควร

สวนพฒนากราฟกของบรษท Silicon Graphics เรมมชอเสยง สวนการพฒนานไดออกแบบและน าเสนอชดของรทนทชอวา GL (Graphics Library)

ตอมาไมนาน GL กลายเปนทนยมอยางแพรหลายในสงคมของกราฟก ท าใหกลายเปนมาตรฐานทางกราฟก

รทนของ GL ถกออกแบบมาใหท างานเรว มการท างานเปนแบบเรยลไทม

ซอฟตแวรทางกราฟก (4)

ตอมาไดมการขยายการใชงานออกไปยงระบบฮารดแวรอน มผลท าให GL มสภาพเปน OpenGL (Open Graphics Library) เนองจากมการพฒนาใหเปนอสระในการท างานรวมกบฮารดแวร (hardware-independent)

ปจจบนกราฟกแพกเกจนอยในความดแลและอปเดทของ OpenGL Architecture Review Board ซงเปนของกลมบรษทและองคกรทมชอเสยงทางดานกราฟกหลายบรษท

ไลบรารของ OpenGL ถกออกแบบพเศษส าหรบแอปพลเคชนเพอท างานดานกราฟก 3 มตอยางมประสทธภาพ แตกสามารถใชกบงาน 2 มต

ซอฟตแวรทางกราฟก (5)

ประเภทของซอฟตแวรทางกราฟก โปรแกรมส าเรจรป (Package) สรางขนโดยผ เชยวชาญทางดานคอมพวเตอรกราฟก เพอใหผใชโปรแกรมสามารถใชคอมพวเตอรด าเนนการเกยวกบภาพไดอยางสะดวกรวดเรว

โปรแกรมทผใชเขยนขนเอง เปนโปรแกรมทเขยนขนดวยภาษาคอมพวเตอร เชน เบสก ฟอรแทรน ปาสคาล และอน ๆ โดยเขยนดวยค าและหลกการของภาษานน เพอใหคอมพวเตอรด าเนนการเกยวกบกราฟกตามทเราตองการ

ซอฟตแวรทางกราฟก

โปรแกรมส าเรจรปทางกราฟก Photoshop CS2 และ DesignCAD 3D MAX

ขอพจารณาการเลอกซอฟตแวรทางกราฟก โปรแกรมส าเรจรปสามารถใชงานไดทนท เสยเวลาศกษาวธการใชโปรแกรมเพยงเลกนอยเทานน จงเหมาะกบงานเรงดวน และใชในการศกษาของผเรมตน

โปรแกรมส าเรจรปแตละโปรแกรม มจดมงหมายของการใชงานแตกตางกน โปรแกรมส าเรจรปเพยงโปรแกรมเดยว ไมสามารถท างานใหตรงกบความตองการของเราไดครบถวน

ในระยะยาว การใชโปรแกรมส าเรจรปท าใหสนเปลองมากกวา เนองจากจะตองหาซอโปรแกรมรนใหมมาใชแทนโปรแกรมรนเกาอยเสมอ

การเขยนโปรแกรมขนใชเอง ท าใหเราเกดความเขาใจเกยวกบฮารดแวร และซอฟตแวรของคอมพวเตอร ทใชงานดานกราฟกไดดขน

ซอฟตแวรทางกราฟก

แสดงผลงานดวยภาพแทนการแสดงดวยขอความ แสดงแผนท แผนผง และภาพของสงตาง ๆ ซงภาพเหลานไมสามารถแสดงในลกษณะอนได ใชในการออกแบบทางดานตาง ๆ เชน ออกแบบบาน รถยนต เครองจกร เครองแตงกาย การแตงหนา และเครองมอเครองใชอน ๆ ชวยงานดานเรยนการสอน โดยเฉพาะในวชาทตองใชภาพ แผนผง หรอแผนทประกอบ ใชในการจ าลองสถานการณ (Simulation) เพอหาค าตอบวา ถาสถานการณเปนอยางนแลวจะเกดอะไรขน น ามาสรางภาพนง ภาพสไลด ภาพยนตร และรายการวดโอ ใชคอมพวเตอรกราฟกสสรางเกมสคอมพวเตอร

ประโยชนของคอมพวเตอรกราฟก

การออกแบบ (CAD : Computer - Aided Design )

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

กราฟและแผนภาพ (Graph)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

ภาพศลป (Art)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

สอการเรยนการสอน (CAI : Computer Assisted Instruction)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

ภาพเคลอนไหว (Animation)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

อเมจโปรเซสซงก (Image Processing) เปนการแสดงภาพทเกดจากการถายรปหรอจากการสแกนภาพใหปรากฏบนจอภาพคอมพวเตอร

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

การจ าลองสถานการณ (Simulation)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

เกมสคอมพวเตอร (Games)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

ภาพยนตร (Movie)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

ระบบสอประสม (Multimedia)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

ระบบเสมอนจรง (VR : Virtual Reality)

การประยกตใชคอมพวเตอรกราฟก

Question & Answer