Γραφικά Η/Υ (ΤΒ2)

Το μάθημα έχει ως στόχο να προσφέρει στους φοιτητές βασικές γνώσεις και δεξιότητες που σχετίζονται με την ανάπτυξη και την κατανόηση γραφικών απεικονίσεων σε υπολογιστές και το πλήθος των εφαρμογών τους.

Τα κύρια μαθησιακά αποτελέσματα είναι:

1. Κατανόηση Θεμελιωδών Εννοιών Γραφικών Υπολογιστών. Οι φοιτητές θα αποκτήσουν κατανόηση των βασικών αρχών των γραφικών υπολογιστών, όπως:

• Αναπαράσταση 2D και 3D αντικειμένων.
• Συστήματα συντεταγμένων και μετασχηματισμοί (κλιμάκωση, περιστροφή, μετατόπιση).
• Θεωρία χρωμάτων και μοντέλα φωτισμού.

2. Γνώση Σχετικών Αλγορίθμων. Οι φοιτητές θα μάθουν τους βασικούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία και χειρισμό γραφικών, όπως:

• Αλγόριθμοι rasterization για τη σχεδίαση γραμμών, καμπυλών και πολυγώνων.
• Αλγόριθμοι γεμίσματος (filling algorithms) για την απόδοση περιοχών.
• Αλγόριθμοι απόκρυψης επιφανειών (hidden surface removal).

3. Χρήση Βασικών Εργαλείων και Τεχνολογιών Γραφικών. Οι φοιτητές θα αποκτήσουν πρακτικές δεξιότητες στη χρήση βιβλιοθηκών και εργαλείων για την ανάπτυξη γραφικών εφαρμογών, όπως OpenGL, WebGL ή άλλες παρόμοιες βιβλιοθήκες για τον προγραμματισμό γραφικών.

4. Κατανόηση και Εφαρμογή 3D Μοντέλων και Μετασχηματισμών. Οι φοιτητές θα μάθουν πώς να δημιουργούν, να χειρίζονται και να προβάλλουν τρισδιάστατα αντικείμενα, κατανοώντας τις έννοιες:

• Πίνακες μετασχηματισμών.
• Προβολές (ορθογραφική και προοπτική).
• Προβολή καμερών και πηγών φωτός σε τρισδιάστατο χώρο.

5. Κατανόηση Θεμελιωδών Τεχνικών Απόδοσης. Οι φοιτητές θα μάθουν βασικές τεχνικές απόδοσης εικόνων, όπως:

• Τεχνικές φωτισμού (π.χ. Phong shading, flat shading).
• Σκίαση (shading) και χρωματισμός (coloring).
• Εφαρμογή υφών (texture mapping).

6. Ανάπτυξη Βασικών Εφαρμογών Γραφικών Υπολογιστών. Στο τέλος του μαθήματος, οι φοιτητές θα πρέπει να είναι σε θέση να αναπτύξουν απλές εφαρμογές γραφικών, που να περιλαμβάνουν βασική 2D και 3D απεικόνιση, να προσομοιώνουν απλά σενάρια και να επιδεικνύουν τη χρήση των τεχνικών που έμαθαν.

7. Κατανόηση της Σχέσης των Γραφικών με άλλους Τομείς. Οι φοιτητές θα αποκτήσουν επίγνωση για το πώς οι τεχνικές γραφικών μπορούν να εφαρμοστούν σε άλλους τομείς, όπως:

• Τη δημιουργία βιντεοπαιχνιδιών.
• Την εικονική πραγματικότητα (VR) και την επαυξημένη πραγματικότητα (AR).
• Τον κινηματογράφο και τα ειδικά εφέ.

1. Εισαγωγή στα Γραφικά Υπολογιστών

• Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη των γραφικών υπολογιστών
• Εφαρμογές γραφικών (παιχνίδια, ταινίες, προσομοιώσεις κ.λπ.)
• Σύντομη ανασκόπηση υλικού (GPU, μονάδες γραφικών)
• Εισαγωγή στις βασικές αρχές: Pixels, Ράστερ και Διανύσματα

2. Αναπαράσταση Γραφικών: Μοντέλα & Συστήματα Συντεταγμένων

• Αναπαράσταση 2D και 3D αντικειμένων
• Συστήματα συντεταγμένων (τοπικά, παγκόσμια, θέσης κάμερας)
• Μετασχηματισμοί: Μεταφορές, Περιστροφές, Κλίμακες
• Μητρώα και Ματριξιακή Αναπαράσταση Μετασχηματισμών

3. Βασικές Αρχές Προβολής: Από το 3D στο 2D

• Προβολές (Ορθογραφική και Προοπτική)
• Μηχανισμοί και υλοποίηση προβολής στο 2D και 3D
• Θέματα διαφυγής και κλιμακωτής προοπτικής

4. Αλγόριθμοι Ραστεροποίησης και Σχεδιασμού Γραμμών

• Αλγόριθμος Bresenham και αλγόριθμος DDA για σχεδιασμό γραμμών
• Ραστεροποίηση πολυγώνων και καμπυλών
• Αλγόριθμοι πλήρωσης περιοχών (Flood-fill, Scanline fill)

5. Εισαγωγή στο OpenGL και Shaders

• Βασικές έννοιες OpenGL
• Γράψιμο shaders με GLSL
• Pipeline rendering

6. Εισαγωγή στον Φωτισμό και Σκίαση (Lighting & Shading)

• Μοντέλα φωτισμού: Phong, Blinn-Phong
• Flat shading vs. Gouraud shading vs. Phong shading
• Υπολογισμός φωτεινότητας και υλοποίηση σκίασης σε shaders

7. Εφαρμογές και Αλγόριθμοι Απόκρυψης Επιφανειών (Hidden Surface Removal)

• Αλγόριθμος Z-Buffer
• Αλγόριθμος Painter’s Algorithm
• Αλγόριθμος BSP (Binary Space Partitioning)

8. Σκιάσεις (Shadows) και Ανάκλαση Φωτός (Reflections)

• Σκίαση σε πραγματικό χρόνο: Shadow Mapping, Shadow Volumes
• Ανάκλαση και διάθλαση φωτός
• Προσομοίωση καθρεφτών και υλικών με shaders

9. Κίνηση και Animation

• Βασικές αρχές animation (keyframes, interpolation)
• Αλγόριθμοι για animation αντικειμένων και χαρακτήρων
• Skeletal animation και skinning
• Φυσική (κίνηση, βαρύτητα, σύγκρουση)

10. Υφές (Textures) και Χαρτογράφηση (Mapping)

• Τεχνικές εφαρμογής υφών (Texture mapping, UV mapping)
• Multitexturing, bump mapping, normal mapping
• Procedural textures και δημιουργία υφών

11. Γεωμετρικά Μοντέλα και Αλγόριθμοι Πολυγωνοποίησης

• Αναπαράσταση μοντέλων: Πλέγματα (Meshes), NURBS, Bezier
• Απλοποίηση και υποδιαίρεση πλεγμάτων (Subdivision surfaces)
• Αλγόριθμοι για τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων

12. Ray Tracing και Σύνθετες Τεχνικές Φωτισμού

• Βασικές έννοιες Ray tracing
• Εφαρμογές σε φωτορεαλισμό (Reflections, refractions)
• Global illumination, radiosity, caustics

13. Σύγχρονες Τάσεις και Εφαρμογές στα Γραφικά Υπολογιστών

• Εισαγωγή στο VR/AR και γραφικά σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας
• Ρεαλιστικά γραφικά σε σύγχρονες μηχανές παιχνιδιών (Unreal, Unity)
• Machine Learning και AI στα γραφικά
• Εξέλιξη και μελλοντικές κατευθύνσεις στα γραφικά υπολογιστών

Για κάθε ενότητα, θα διεξάγονται πρακτικές ασκηση ή project με χρήση του κατάλληλου λογισμικού (πχ μηχανής γραφικών(). 

Βιβλίο [86195186]: ΓΡΑΦΙΚΑ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ, Θεοχάρης Θ, Παπαϊωάννου Γ, Πλατής Ν., Πατρικαλάκης Ν.

Βιβλίο [94701919]: Γραφικά Υπολογιστών με Open GL, 4η Έκδοση, Baker, Hearn, Carithers

Βιβλίο [94700225]: Γραφικά Υπολογιστών & Προγραμματισμός WebGL, Γεώργιος Μπαρδής

ΤΡΟΠΟΣ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: Στην τάξη και σε εργαστήριο Η/Υ δια ζώσης

Χρήση Ηλεκτρονικών Εποπτικών μέσων , Εργαστηρίου Η/Υ, υποστήριξη μέσω πλατφόρμας ασύγχρονης τηλεκπαίδευσης και διαχείρισης τάξης, χρήση εξειδικευμένου λογισμικού και εξοπλισμού (π.χ. VR, AR, MR) 

Γραπτή Εξέταση : 80% 

Εξαμηνιαία Εργασία: 20%

Οι τρόποι και οι όροι αξιολόγησης του μαθήματος ανακοινώνονται κατά την αρχή του εξαμήνου τόσο κατά τις πρώτες διαλέξεις όσο και στο e-class του μαθήματος.