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V3 Computergrafik

V3 Computergrafik

Das Gebiet der grafischen Datenverarbeitung ist vom Umfang her derartig groß, dass eine sinnvolle Beschäftigung nach einem kurzen Überblick  nur mit Teilaspekten möglich ist. Daher sollte nach einer Einführung entweder ein Gebiet aus dem Bereich der Pixel- oder der Vektorgrafik gewählt werden.
Die wesentlichen Entwürfe von Datenobjekten und Zugriffsalgorithmen sollen in Eigenprogrammierung erledigt werden, zur Anzeige kann auf Bibliotheken oder fertige Software zurückgegriffen werden.

Vorschläge für Schwerpunktvorhaben:
  • Unterschiede zwischen Pixelgrafik und Vektorgrafik
  • Alternative A: Pixelgrafik als das Rechnen mit rechteckigen Zahlenschemata
  • Alternative B: Vektorgrafik als sichtbar gemachte Geometrie
FachinhalteKompetenzenVernetzungen
Einführung Pixelgrafik
  • Physik des Lichts, Physiologie des Auges, und der Farbwahrnehmung
  • Rasterung von Bildern, bei Aufnahme und Wiedergabe, Beziehungen zu Geräten
  • Rechnerinterne Darstellung von Pixelbildern in unkomprimierten Grafikformaten (Bitmap-, Graustufen- und Farbbildern)
  • Farbmodelle: RGB, CMY(K) mit Bezug zu Ausgabegeräten, additive Farbmischung für lichterzeugende Geräte (z.B. Monitore), subtraktive für reflexionsverändernde (z.B. Drucker)
  • Vergrößerung eines ein-fachen, zweidimensionalen geometrischen Objekts (um ganzzahligen Faktor)
  • Identifizieren der Grundlagen in den Bezugswissenschaften
  • Grenzen der menschlichen Wahrnehmung als technische Rahmenbedingungen erkennen
  • Beschreibung des Rasterbildmodells über die Parameter Auflösung (horizontal und vertikal), Diskretisierung und Digitalisierung der Rasterpunktfarbwerte, technische Realisierung in Aufnahme- und Wiedergabegeräten
  • Bezüge zu anderen Digitalisierungsvorgängen herstellen
  • Einfache Grafiken durch Rechnung erzeugen, einfache Veränderungen an Pixelbildern vornehmen
  • Speicherplatzbedarf in Abhängigkeit von Auflö-sung und Farbtiefe ermitteln
  • Inner- und außerinformatische Farbmodelle und -mischmethoden zueinander in Beziehung setzen, ihre Anwendungsbereiche beschreiben
  • Verschiedene Modelle ineinander umrechnen
  • Zusammenhang zwischen Bild- und Informations-vergrößerung formulieren, Abschätzen der Wirkung rechnerischer Auflösungs-vergrößerung bei Geräten (Interpolation)
  • Elektromagnetische Strahlung, Sonnenlicht, Auge (Physik, Astronomie, Biologie)
  • Mosaike, Pointilismus (Kunstgeschichte)
  • Musterweberei, Gobelins (Kunsthandwerk)
  • Klassische Fotografie, Film (Chemie), analoges Fernsehen
  • Visualisierung von Rechenvorgängen
  • Datenmengen bei Speicherung und Transport durch Netze, Kompression und Formatwandlung
  • Farbenlehre (Bildende Kunst), Farbdruck (Grafisches Gewerbe)
  • Biochemische Vorgänge in Sehzellen
Vektorgrafik
  • Beziehungen zur analytischen und Abbildungsgeometrie
  • Koordinatensysteme: mathematisch (kartesisch) und speicherorientiert
  • Geometrische Objekte als Datenobjekte
  • Umwandlung in Pixelgrafik bei optischer Darstellung
  • Vergrößerung eines einfachen zweidimensionalen Objekts
  • Vergleichen der mathematischen Grundelemente Punkt, Gerade, Ebene, Raum, Vektor mit den Elementen der Pixelgrafik
  • Aussageformen (Gleichungen) als Algorithmen interpretieren
  • Vergleichen der unterschiedlichen Zahlenmengen, die in Mathematik und Informatik z.B. das Koordinatensystem einer Ebene aufspannen
  • Erzeugen einfacher Zeichenobjekte in einer grafischen Oberfläche
  • Beziehungen zwischen Gleichungen/Koeffizienten und Objekten/Parametern erläutern.
  • Entwerfen von Klassen für einfache geometrische Objekte
  • Zeichnen der Objekte durch Markieren von Rasterpunkten für z.B. Geraden und Rechtecke
  • Anwenden mathematischer Abbildungsfunktionen, Vergleichen mit Pixelgrafikvergrößerung
  • Geschichte der Geometrie (Mathematik)
  • Kartografie
  • Ältere mechanische Vergrößerungsgeräte (Storchenschnabel), Vergrößerungen bei optischen Geräten, Kopiergeräten
Alternative A: Pixelgrafik
  • Linienalgorithmus und Treppenproblematik
  • Probleme der Skalierung von Pixelgrafiken, Anti-aliasing
  • Farbauszüge, Farbmodell HSV, Farbveränderungen
  • Veränderung von Helligkeit und Kontrast
  • Transparenz und Mischen von Bildern
  • Umgebungsabhängige Algorithmen, Filterung, Konturfindung
  • Analyse von Bildbearbei-tungsprogrammen
  • Anwendungen grafischer Datenverarbeitung in Medizin und Technik
  • Programmieren des Bresenham- oder Mittelpunkt-Algorithmus
  • Programmierung durch Überdeckungsalgorithmus
  • Erstellen von 3- und 4-Farbenauszügen, Falschfarbenbildern
  • Ermitteln von Helligkeitsverteilungen, Kontrastverstärkung und –verminderung
  • Erweitern der Bildklasse um einen Kanal für Transparenz und Bildmischoperation
  • Erstellung von Schärfungen und Unschärfen, Trennlinienermittlung
  • Identifizieren selbsterstellter Funktionen in Software, skizzieren möglicher Algorithmen für andere, nicht implementierte Funktionen
  • Studium ausgewählter Beispiele, Identifizieren der bearbeiteten Funktionen, Vergleichen
  • Plotteralgorithmen ohne Multiplikation (Rechnerorganisation)
  • Kontrast und Auflösung bei Schärfewahrnehmung des Auges
  • Satellitenfotos, Infrarotfotografie
  • Analoge optische Geräte, Analogvideo, Fernsehen
  • Durchsichtige, durchscheinende und undurchsichtige Materialien, Transparenz bei Folien (Physik)
  • Optische Zeichenerkennung, Luftbildanalyse und Kartografie
  • Vergleichen der betrachteten Software mit der Arbeitsweise im Einsatzgebiet vor dem Rechnereinsatz
Alternative B: Vektorgrafik
  • Grundlagen vektorieller Geometrie
  • Klassen einfacher zweidimensionaler geometrischer Objekte
  • Operationen: Skalieren, Verschieben, Drehen, Spiegeln, Füllen
  • Übertragung auf einfache dreidimensionale Objekte (Drahtmodelle)
  • Projektion auf eine Ebene
  • Operationen: Skalieren, Verschieben, Drehen
  • Einfache Animation
  • Analyse nichtproprietärer Formate: z.B. SVG, VRML
  • Anwendungen in Präsentationen, Werbung, industrieller Konstruktion (CAD) und Simulation, Spielen und rechnergenerierten Filmteilen
  • Einfache geradlinige Objekte mathematisch beschreiben können, Schnittpunkte von Linien berechnen
  • Programmieren und testen, Methoden für Schnittpunkte und Innenpunktbestimmung, Vererbung benutzen
  • Mathematische Operationen umsetzen, Effizienzüberlegungen anstellen
  • Klassen erzeugen für Geraden, Strecken, Ebenen
  • Erzeugen einer einfachen Projektion für die Bildschirmdarstellung
  • Mathematische Operationen umsetzen, Effizienzüberlegungen anstellen
  • Vergleichen mit den Operationen im zweidimensionalen Raum
  • Erzeugen eines berechneten Bewegungsablaufs, speichern einzelner Bilder, in animiertes Grafikformat durch externe Software umsetzen
  • Programmieren eines beispielhaften Formatwandlers
  • Studium ausgewählter Beispiele, Identifizieren der bearbeiteten Funktionen, Vergleichen
  • Geschichte der Geometrie (Mathematik)
  • Polarkoordinaten
  • Räumliche Darstellung und Perspektive (Kunst, technische Zeichnung)
  • Trägheit des Auges, Bildwechselfrequenzen bei Monitoren
  • Öffentliche und proprietäre Dateiformate, wirtschaftliche Interessen, Softwarepatente
  • Vergleichen der betrachteten Software mit der Arbeitsweise im Einsatzgebiet vor dem Rechnereinsatz

 
Kommentierte Bücher- und Linkliste
  • Foley, James D. et al.: Computer Graphics: Principles and Practice ISBN: 0201357178, Jahr: 2003 Die angekündigte Neuauflage dieses Standardwerkes ist Anfang 2005 noch nicht erschienen, die vorige Ausgabe sollte in jedem Fall noch zu bekommen sein. Eine durchaus noch brauchbare deutsche Übersetzung bei Addison-Wesley von 1994 ist gut zu benutzen, aber leider vergriffen. Das Werk enthält alles, was man über Pixelgrafik, Farben, Geräte, 2-D, 3-D, anspruchsvolle Anwendungen wie Raytracing etc. wissen können will, die meisten Algorithmen sind abgedruckt, es gibt dort reichlich Hilfe für weitere Arbeitsmöglichkeiten.
  • LOG IN Themenheft 5-6/2001 „Digitale Bilderwelten“. LOG IN Verlag Berlin. Einzelhefte erhältlich über http://www.log-in-verlag.de Das Heft enthält eine Reihe von Aufsätzen zum Thema Grafik sowie Unterrichtsbeispiele in JAVA und PYTHON mit Angaben für verwendbare Klassen als Quelltexte. Dort sind viele weitere Quellen für Literatur und Online-Recherche genannt. Online-Quellen sind auch über den Verlagsservice auf dessen WEB-Seiten zu erfahren.

 

Redaktionell verantwortlich: Frank Oppermann