3D megjelenítési technikák

Dr. Fekete, Róbert Tamás

Dr. Antal, Ákos

Dr. Tamás, Péter

Décsei-Paróczi, Annamária

A tananyag a TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0042 azonosító számú „ Mechatronikai mérnök MSc tananyagfejlesztés ” projekt keretében készült. A tananyagfejlesztés az Európai Unió támogatásával és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Kézirat lezárva: 2014 március

Lektorálta: Tóth Bertalan

További közreműködő: Décsei-Paróczi Annamária

A kiadásért felel a(z): BME MOGI

Felelős szerkesztő: BME MOGI

ISBN 978-963-313-200-5

2015


Tartalom
1. A háromdimenziós technikák pszichológiai és fiziológiai háttere
1.1. Az emberi érzékelés
1.2. Az emberi észlelés
1.3. Az emberi szem felépítése és működése
1.3.1. Az érzékelt elektromágneses sugárzás
1.3.2. Az emberi szem elhelyezkedése és a szemmozgások
1.3.3. Az emberi szem felépítése, anatómiája
1.3.4. A retina és a fotoreceptorok
1.3.5. Látási hibák
1.4. A látópálya felépítése és működése
1.4.1. A retinális ganglionsejtek, a gyűjtősejtek és a receptív mező
1.4.2. A látópálya
1.4.3. A látás további területei
1.5. A színlátás
1.5.1. A színlátás fotoreceptorai
1.5.2. Mitől függ a tárgyak színe?
1.5.3. Az emberi színlátás opponens színelmélete
1.5.4. Konstanciák a feldolgozás során
1.6. A háromdimenziós mélységészlelés
1.6.1. A Gestalt-elmélet
1.6.2. A jelzőmozzanatokról
1.6.3. Monokuláris jelzőmozzanatok
1.6.4. Binokuláris jelzőmozzanatok
1.6.5. A binokuláris diszparitás
1.7. Az emberi mélységészlelés hibái
1.8. Összefoglalás
1.9. A felkészülést segítő kérdések
1.10. A fejezet fontosabb kifejezései
Felhasznált irodalmak
2. A háromdimenziós technikák optikai és interferometriai háttere
2.1. A háromdimenziós megjelenítők - a feladat megfogalmazása
2.2. A színek
2.3. Alapfogalmak
2.3.1. Inger, észlelet és érzéklet
2.3.2. A szín, mint megnevezés
2.3.3. A tarka színek jellemzői
2.3.4. Metaméria
2.3.5. Színkeverési módok
2.3.5.1. Az additív színkeverés
2.3.5.2. A Grassmann-törvények
2.3.5.3. A szubtraktív színkeverés
2.4. A CIE-féle színmérő rendszer
2.4.1. A színmeghatározás eredeti módszere
2.4.2. Az CIE RGB-színrendszere
2.4.3. Az XYZ-színrendszer
2.4.4. Az RGB színrendszer
2.4.5. A CMY és a CMYK színrendszerek
2.4.6. A HLS színrendszer
2.4.7. Egyenletes színterek
2.4.8. Színtranszformációk
2.5. Ellenőrző kérdések:
2.6. További irodalom a szakterület tanulmányozásához
Felhasznált irodalmak
3. A 3D grafika elméleti alapjai
3.1. Grafikus tárgymodellek
3.1.1. Raszteres és vektoros leírás
3.2. Koordináta-rendszerek
3.2.1. Leggyakrabbak használt koordinátarendszerek
3.2.2. Homogén koordináták
3.3. Görbék, felületek és testek
3.3.1. Paraméteres görbemegadás
3.3.2. Folytonosság és geometriai folytonosság
3.3.3. Az elsőfokú paraméteres görbeszakasz leírása
3.3.4. Hermite-féle harmadfokú görbeszakasz
3.3.5. Bezier-féle harmadfokú görbeszakasz
3.3.6. Természetes spline
3.3.7. Catmull-Rom görbék, a kardinális spline
3.3.8. B-spline-ok
3.3.8.1. Harmadfokú B-Spline görbék
3.3.8.1.1. A harmadfokú bázisgörbék jellege
3.3.8.1.2. Közelítés harmadfokú B-spline görbével
3.3.8.2. Közelítés harmadfokú nem egyenközű B-Spline görbékkel
3.3.8.3. Interpoláció B-Spline görbékkel
3.3.8.3.1. Egyenletes időosztás
3.3.8.3.2. Osztás poligonkerület ívhossza szerint
3.3.8.3.3. Centripetális módszer
3.3.8.4. Racionális, nem egyenközű B-spline (Non-Uniform Rational B-Spline - NURBS)
3.3.9. Szabadformájú felületek
3.3.9.1. Felületek leírása háromszöghálókkal
3.3.9.2. Spline felületek
3.3.9.2.1. Harmadfokú Hermite-felületfolt
3.3.9.2.2. Harmadfokú Bezier-felületfolt
3.3.9.2.3. Felületfoltok illesztése
3.3.9.2.4. Harmadfokú B-spline felületek
3.3.10. Testek
3.3.10.1. CSG modellek
3.3.10.2. B-Rep testábrázolás
3.3.10.3. Térfogati modellek
3.4. A megjelenítő cső
3.4.1. A tér leképezése síkra
3.4.2. Window-Viewport transzformáció
3.4.3. A láthatóság
3.5. A képszintézis alapfogalmai
3.5.1. Fénysűrűség
3.5.2. Fényforrások
3.5.2.1. Pontszerű fényforrás (Point Light)
3.5.2.2. Irány (párhuzamos) fényforrás (Direction Light)
3.5.2.3. Ambiens fényforrás (Ambient Light)
3.5.2.4. Égboltfény (Sky Light)
3.5.2.5. Reflektorfény (Spot Light)
3.5.3. Anyagok, visszaverődés
3.5.3.1. A BRDF
3.5.3.2. Diffúz anyagok jellemzése
3.5.3.3. Reflexív anyagok, ideális visszaverődés
3.5.3.4. Ideális törés
3.5.3.5. Phong illuminácós modell
3.5.4. Az árnyalás modellezése
3.5.4.1. Az árnyalási egyenlet
3.5.4.2. Sugárkövetés
3.5.4.3. Inkrementális képszintézis, egyszerűsített árnyalási egyenlet
3.5.4.4. Felületek közelítő árnyalása
3.5.4.5. Fénysugarak haladása nem átlátszó térben
Irodalmak:
4. OpenGL
4.1. A Grafikus csővezeték
4.1.1. Alkalmazás
4.1.2. Vertex Shader
4.1.3. Raszterizálás
4.1.4. Fragment Shader
4.1.5. Raszterműveletek
4.1.6. Framebuffer
4.2. Az OpenGL Használata
4.2.1. Az OpenGL klasszikus inicializálása
4.2.1.1. Az OpenGL eszközkapcsolata
4.2.1.2. A használni kívánt megjelenítési kapcsolat meghatározása
4.2.1.3. A pixelformátum meghatározása
4.2.1.4. A megjelenítési kapcsolat létrehozása, kiválasztása és törlése
4.3. GLUT
4.3.1. GLUT telepítés Windows rendszerben
4.4. Adatok, konstansok és függvények az OpenGL rendszerben
4.5. Első lépések az OpenGL-ben
4.5.1. Színek megadása
4.5.2. Rajzpufferek, a pufferek előkészítése
4.5.3. Kirajzolás hagyományos módon
4.5.4. Hello OpenGL hagyományosan a C++/CLI-vel
4.5.5. Hello OpenGL a glut-tal
4.6. Rajzolás
4.6.1. Alapvető rajzelemek
4.6.2. A geometriai objektumok és megjelenítési módjaik
4.6.2.1. Pontok
4.6.2.2. Vonalak
4.6.2.3. Konvex sokszögek
4.6.2.4. Színek, interpolálás
4.6.2.5. Görbevonalú alakzatok rajzolása, tesszalláció
4.6.3. Transzformációk
4.6.3.1. Modellezési transzformációk
4.6.3.2. Vetítési transzformációk
4.6.3.3. Viewport-transzformációk
4.6.3.4. Rajzolás pixel koordinátákkal
4.6.3.5. Mátrix verem
4.6.4. Takarások kezelése - a Z-puffer
4.6.5. Animáció
4.6.5.1. Dupla pufferelés
4.6.6. A glu segédkönyvtár térbeli alapobjektumai
4.6.6.1. Szabad formájú görbék és felületek
4.6.6.2. Bezier görbék és felületek
4.6.6.3. A glu NURBS görbéi és felületei
4.6.6.4. Listák
4.6.7. Áttetsző anyagok, az RGBA színmodell használata
4.6.8. Megvilágítások
4.6.9. Anyagok
4.6.10. Árnyalások
4.6.11. Textúra
4.6.11.1. A textúra elkészítése
4.7. 3D-s objektumok
4.7.1. 3D-s objektumok megadása
4.7.2. 3D-s objektumok rajzolása
4.7.3. Objektum megvilágítása
4.7.4. Az objektum forgatása
4.7.5. Takart vonalak - hátsó lap eldobás
5. Klasszikus és Modern megjelenítési technikák
5.1. Elektromechanikus kijelzők
5.1.1. A split-flap kijelzők
5.1.2. A flip-disc kijelző
5.2. A VFD kijelzők
5.3. Csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelzők
5.4. CRT kijelzők
5.5. A SED és FED kijelzők
5.6. Az EP (elektronikus papír) kijelzők
5.7. Az LCD / TFT kijelzők
5.8. A PDP kijelzők
5.9. A lézer kijelzők
5.10. Az OLED kijelzők
5.11. A LED kijelzők
5.12. Projektorok és a DLP / DMD technikák
5.13. Összefoglalás
5.14. A felkészülést segítő kérdések
5.15. A fejezet fontosabb kifejezései
Felhasznált irodalmak
6. A háromdimenziós megjelenítés története
6.1. A térlátásról
6.2. A háromdimenziós technikákról
6.3. A háromdimenziós filmvetítésről
6.4. Összefoglalás
6.5. Felkészülést segítő kérdések
6.6. A fejezet fontosabb kifejezései
Felhasznált irodalmak
7. Illúzión alapuló technikák, autosztereogramok
7.1. A korszerű sztereo-szétválasztásos módszerek
7.2. A Wiggle-sztereogram
7.3. Az autosztereogramok
7.4. A véletlen-pont sztereogram
8. Holográfia a háromdimenziós megjelenítésben és a méréstechnikában
8.1. A holográfia alapelvei
8.2. A holografikus felvétel
8.2.1. A vastag hologram
8.2.2. A rekonstrukció
8.2.3. A felvétel és rekonstrukció
8.2.4. Holografikus optikai elemek
8.2.5. Digitális holográfia
8.3. Hullámoptikai tárgyalásmód
8.3.1. A holografikus felvétel
8.3.2. A rekonstrukció
8.4. Holografikus interferometria
8.4.1. A holografikus interferométer
8.4.2. A kétexpozíciós holografikus interferometria technika
8.4.3. A holografikus interferogramok kiértékelése
8.5. Holografikus felvételi nyersanyagok
8.5.1. A nyersanyagok karakterisztikája
8.5.2. A nyersanyag felépítése
8.5.3. Az ezüst halogén alapú holografikus nyersanyagok kidolgozása
8.5.4. Egyéb nyersanyagok
8.5.4.1. Fotoreziszt emulzió
8.5.4.2. Termoplasztikus emulzió
8.6. Ellenőrző kérdések
Hivatkozások
9. Egyszerű és komplex optikai szűrőn alapuló, passzív sztereo technikák
9.1. Az anaglif (anaglyph) technika
9.2. Interferenciaszűrős rendszerek (Infitec)
10. Lineáris és cirkuláris polarizáción alapuló, passzív sztereo technikák
11. Szinkronizált takaráson alapuló, aktív sztereo technikák
12. A tényleges csatornajel szétválasztáson alapuló sztereo technikák
12.1. A párhuzamos nézés technikája
12.2. Kézi sztereoszkóp
12.3. Fejre illeszthető háromdimenziós kijelzők
12.4. A holovízió, mint háromdimenziós megjelenítési lehetőség
Felhasznált irodalom
13. Párhuzamos akadályokat alkalmazó autosztereo technikák
14. Volumetrikus (térbeli) háromdimenziós technikák
14.1. Statikus, volumetrikus kijelzők
14.2. Dinamikus, volumetrikus kijelzők
15. A háromdimenziós technikák alkalmazási lehetőségei
15.1. Háromdimenziós számítógépes játékok és más szoftverek
15.2. Háromdimenziós mozi
15.3. Háromdimenziós televíziózás
15.4. Háromdimenziós vizualizáció az iparban és az egészségügyben
15.5. A háromdimenziós megjelenítés alkalmazásának lehetőségei
15.6. A háromdimenziós megjelenítés távlatai
15.7. Ellenőrző kérdések a fejezethez
Felhasznált irodalmak
16. Háromdimenziós tartalmak további létrehozásának lehetőségei
16.1. A háromdimenziós technikák és a holográfia
Irodalmak
Az ábrák listája
1.1. Interdiszciplináris tudományok
1.2. Kognitív tudományok (az emberi agy fontosabb területei)
1.3. Az elektromágneses spektrum
1.4. Az elektromágneses spektrum látható tartományának kinagyítása
1.5. Az emberi látómező
1.6. Az emberi szem mozgató izmai
1.7. Az emberi szem felépítése
1.8. A retina felépítése
1.9. Akkomodációs hibák (balra: miópiás szem, jobbra: hiperópiás szem, alul: ezek korrekciói)
1.10. Receptív mezők
1.11. Látópálya és annak sérülései
1.12. Látásért felelős agyterületek
1.13. Az M sejtek és a P sejtek arányai
1.14. A retina fotoreceptorai (balra: pálcika, jobbra: csap)
1.15. A csapok és pálcikák sűrűsége a perinán (feketével: pálcikák, pirossal: csapok)
1.16. tárgyak színe
1.17. A csapok és pálcikák relatív érzékenységi görbéi
1.18. Az opponens-szín elmélet
1.19. A színkonstancia jelensége
1.20. Egy példa a Gestalt-szabályok alkalmazására (valójában a kép nem tartalmaz kockát)
1.21. A retinális nagyság (a két autó azonos képmérettel bír, mégis el tudjuk dönteni, hogy melyik van távolabb, ha rendelkezünk megfelelő priori információkkal a tárgyat illetően)
1.22. A horizont-hatás
1.23. A takarási-hatás
1.24. Perspektíva
1.25. Textúra
1.26. Az elkékülési hatás és légtávlat
1.27. A fény-árnyék játék
1.28. Akkomodáció
1.29. A mozgási parallaxis
1.30. A binokuláris parallaxis és diszparitás
1.31. A horopter és a sztereo látótér
1.32. Egy Julesz Béla féle random-dot sztereogramm
1.33. Egy rosszullétre okot adó jelenet az Avatar című filmből
2.1. A színingerek észlelésének folyamata
2.2. A metaméria jelenségének szemléltető ábrája
2.3. Az additív színkeverés
2.4. Hermann Günther Grassmann (1809-1877) [2.26.]
2.5. A szubtraktív színkeverés
2.6. A bíbor szín szubtraktív keverésének módja
2.7. A sárga szín szubtraktív keverésének módja
2.8. A kékeszöld (türkiz) szín szubtraktív keverésének módja
2.9. A vörös szín szubtraktív keverésének módja
2.10. A zöld szín szubtraktív keverésének módja
2.11. A kék szín szubtraktív keverésének módja
2.12. A színmeghatározás módszere
2.13. A CIE 1931 színmérő rendszer alap színingert megfeleltető függvényei
2.14. A CIE 1931 színmérő rendszer színingert megfeleltető függvényei
2.15. A CIE xyY színháromszög
2.16. A CIE 1931 színességi diagram
2.17. A Planck-vonal és a korrelált színhőmérséklet értelmezése
2.18. A CMY színrendszer
2.19. Példa egyenletes színtérre
2.20. A színinger különbség értelmezése a színtérben
2.21. A feladat értelmezése
2.22. A CRT monitorokon megvalósuló additív színkeverés gyakorlati kivitelezésének lehetséges módozatai
2.23. CRT monitor csatornáinak spektrális eloszlásfüggvényei [2.25.]
2.24. A feladat megoldásának menete
3.1. Vektoros A
3.2. Raszteres A
3.3. Homogén koordináták
3.4. G1 görbecsatlakozás
3.5. Nem G1 görbecsatlakozás
3.6. Nem G1 görbecsatlakozás
3.7. Az egyenes szakasz és adatai
3.8. Az egyenes szakasz súlyfüggvényei
3.9. Hermite-féle görbeszakasz
3.10. Az Hermite-féle súlyfüggvények
3.11. A harmadrendű Bezier-görbe
3.12. Spline görbe
3.13. A kardinális spline
3.14. A B-spline súlyfüggvények
3.15. A B-spline szakaszok a befoglaló téglalapban
3.16. Elfajuló B-spline szakaszok
3.17. Bezier féle felületfolt
3.18. Felületfoltok illesztése
3.19. CSG modellezés
3.20. A megjelenítési cső
3.21. Az általános axonometria
3.22. Az általános axonometria
3.23. A katonai axonometria
3.24. Centrális vetítés
3.25. A Window-Viewport transzformáció
3.26. Hátsó lap eldobás
3.27. Nem sorbarendezhető háromszögek
3.28. BSP fa
3.29. Területfelosztás (Area Dubdivision)
3.30. A területfelosztás esetei
3.31. A Z puffer és működése
3.32. A térszög
3.33. Pontszerű fényforrás
3.34. Irány fényforrás
3.35. Ambiens fényforrás
3.36. Az égboltfény
3.37. Reflektor fényforrás
3.38. A visszaverődés
3.39. Diffúz visszaverődés
3.40. Ideális visszaverődés
3.41. Fénytörés közegek határán
3.42. Phong-féle modell
3.43. Fénysugarak haladása nem átlátszó térben.
4.1. Az Open GL megjelenítési csővezeték
4.2. Háromszög raszterizálás, interpolálás
4.3. OpenGL, GLUT, és az alkalmazás helye a szoftveres veremben
4.4. Hagyományos OpenGL alkalmazás
4.5. GLUT alkalmazás
4.6. A kamera analógia
4.7. Az alakzatok
4.8. Az alakzatok
4.9. 10 pixeles zöld pont
4.10. Vonaltípusok
4.11. Háromszög láthatatlan éllel
4.12. Mintázott sokszög
4.13. GL_SMOOTH
4.14. GL_FLAT
4.15. Kör tesszeláció
4.16. Körlap
4.17. A képalkotási transzformációk sora
4.18. A gluLookAt() függvény kamera-pozíciója
4.19. A forgó téglalap
4.20. A glOrtho() leképezés
4.21. A centrális leképezés
4.22. Kör pixel koordinátákkal
4.23. A takarás kirajzolási sorrenddel
4.24. Mélység teszt algoritmus
4.25. Takarás mélység teszt algoritmussal
4.26. Dupla pufferelés
4.27. Dupla pufferelés
4.28. Forgó perspektivikus kocka
4.29. A glu elemek
4.30. A Bezier görbe
4.31. A Bezier felület
4.32. A Bezier felület
4.33. A Bezier felület
4.34. RGBA színek
4.35. Árnyalt zászló
4.36. Textúra
4.37. Vertex és index puffer
4.38. 3D-s objektum
4.39. A megvilágított 3D-s objektum
4.40. A megvilágított 3D-s objektum
4.41. glDisable(GL_CULL_FACE)
4.42. glEnable(GL_CULL_FACE)
5.1. Szabványos kijelző felbontások
5.2. A split-flap kijelző
5.3. Flip-dot kijelző
5.4. Vákuum fluoreszcens kijelző
5.5. Vákuum fluoreszcens kijelző
5.6. Csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelző
5.7. Katódsugárcsöves képernyő
5.8. A színes televízió katódsugárcsövének felépítése
5.9. A SED és FED kijelzők vázlata (balra egy CRT kijelző látható)
5.10. Az E-papír elvi vázlata
5.11. A Gyricon működése
5.12. Színszűrős kivitel működése
5.13. E-book olvasó
5.14. Az e-ink elektroforézis technológia vázlata
5.15. LCD kijelző működése
5.16. A PDP kijelző felépítése
5.17. A PDP kijelző egy pixeljének felépítése
5.18. A lézer kivetítő felépítése
5.19. Hajlékony OLED kijelző
5.20. Egy OLED pixel felépítése
5.21. LED fal
5.22. A DMD technológia színkeverése
5.23. A DMD technológia színkeverése
5.24. A DMD pixelek felépítése
6.1. Háromdimenziós megjelenítés
6.2. Leonardo da Vinci arcképe
6.3. George Berkeley arcképe
6.4. Immanuel Kant arcképe
6.5. Hermann von Helmholtz arcképe
6.6. Rudolf Hermann Lotze arcképe
6.7. Charles Wheatstone arcképe
6.8. Wheatstone-féle sztereoszkóp
6.9. David Brewster arcképe
6.10. David Brewster posztere a kiállításon
6.11. Jules Duboscq arcképe
6.12. Brewster-féle sztereoszkóp
6.13. Oliver Wendell Holmes, Sr. arcképe
6.14. „Mexikói sztereoszkóp” képe
6.15. Julesz Béla arcképe
6.16. Julesz-féle random dot stereogram
6.17. Autosztereogram
6.18. Lumiere-fivérek
6.19. Edwin H. Land
6.20. Bwana Devil
6.21. IMAX kamera
6.22. IMAX vetítőgépek
6.23. Autosztereokopikus kijelző (PlayStation Portable)
6.24. Otthoni 3D TV
6.25. Autosztereokopikus kijelző (Nintendo)
6.26. 1800-as évekbeli festmény, amelyben egy sztereoszkóp is helyet kapott
6.27. 3d kamera egy sporteseményen
7.1. Wiggle-sztereogram
7.2. Wiggle-sztereogram
7.3. Wiggle-sztereogram
7.4. Autosztereogram (közelebb lévő tigrisek)
7.5. Autosztereogram (cápa)
7.6. Egy Julesz Béla féle random-dot sztereogram
8.1. A holografikus felvétel készítésének blokkvázlata
8.2. A hullám tulajdonságainak szemléltetése.
8.3. A hologram rekonstrukciójának blokkvázlata
8.4. A térfrekvencia fogalma
8.5. A digitális hologram készítésének blokkvázlata
8.6. A holografikus felvétel
8.7. Holografikus rekonstrukció
8.8. Holografikus interferometria
8.9. Kétexpozíciós holografikus interferometria
8.10. A kétexpozíciós holografikus interferogram készítésének blokkvázlata
8.11. A kétexpozíciós holografikus interferogram rekonstrukciójának blokkvázlata
8.12. A különböző ezüsthalogén alapú nyersanyagok spektrális érzékenysége.
8.13. Az ezüst halogén alapú nyersanyag karakterisztikája, a gamma görbe.
8.14. A 8E56 típusú, ezüsthalogén alapú holografikus nyersanyag karakterisztikája (katalógus adat)
8.15. Az ezüst halogén alapú nyersanyag felépítése.
8.16. A 8E75 típusú, ezüsthalogén alapú holografikus nyersanyag spektrális érzékenysége (katalógus adat)
8.17. Az amplitúdó hologram kidolgozásának menete
8.18. A fázis hologram kidolgozásának menete
8.19. A fotoreziszt emulzió a kidolgozás után
9.1. Anaglif kép
9.2. Anaglif szemüveg
9.3. Interferenciaszűrő-típusok
9.4. Az interferenciaszűrő működése
9.5. Interferenciaszűrő-készlet
10.1. Cirkuláris polarizációs szűrő mechanizmusa, a vetítőtől a projekciós felületig
10.2. Cirkuláris polarizációs szűrő mechanizmusa, a projekciós felülettől a szemig
11.1. Szinkronizált takaráson alapuló, aktív technika
12.1. Kézi sztereoszkóp I.
12.2. Kézi sztereoszkóp II.
12.3. Kézi sztereoszkóp III.
12.4. Fejre illeszthető háromdimenziós kijelző
14.1. Volumetrikus kijelző I.
14.2. Volumetrikus kijelző II.
14.3. Volumetrikus kijelző III.
14.4. Volumetrikus kijelző IV.
14.5. Statikus volumetrikus kijelző
14.6. Dinamikus volumetrikus kijelző
A táblázatok listája
2.1. A CIE 1931 színmérő rendszer alap színingert megfeleltető függvényei
2.2. A CIE 1931 színmérő rendszer színingert megfeleltető függvényei
2.3. A vizuális érzékelés és a színkülönbség kapcsolata
2.4. P22 típusú CRT monitorcsatornák spektrális eloszlásfüggvényei [2.25.]