Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer Compiled by Anny Yuniarti 1 BAB 1 – Pendahuluan Gambaran umum materi: Pengenalan Sistem Grafika Bab ini berisi tentang materi pendahuluan untuk mata kuliah Grafika Komputer, mengenalkan tentang pengertian grafika komputer, proses pembentukan gambar, dan pengenalan sistem grafika. Sistem grafika terdiri atas hardware, software, dan aplikasi-aplikasi lainnya. Selain itu akan dikenalkan pula model dan arsitektur sistem grafika yang ada. Terakhir, dijelaskan tentang beberapa pemanfaatan aplikasi grafika komputer sehingga mahasiswa dapat memahami pemakaian ilmu yang diperoleh di dunia nyata. Relevansi: Materi ini mendasari pengertian grafika komputer dan mengenalkan beberapa aplikasi grafika komputer di dunia nyata. Kompetensi: Mahasiswa dapat menjelaskan dasar-dasar sistem grafika 1.1. Pengertian Grafika Komputer Tujuan: mengeksplorasi pengertian grafika komputer Grafika komputer berkaitan dengan semua aspek dalam pembuatan gambar di komputer [1]. Aspek- aspek tersebut antara lain adalah aspek perangkat keras komputer (hardware), perangkat lunak (software), serta aplikasi-aplikasi. Sistem grafika sederhana terdiri dari peralatan masukan (input devices), prosesor, memori, frame buffer, dan peralatan luaran (output devices). Ilustrasi sistem grafika sederhana dapat dilihat pada Gambar 1.1. Salah satu peralatan luaran yang lama digunakan adalah tabung sinar katoda atau CRT (Cathode Ray Tube), yang dapat digunakan untuk menampilkan isi dari frame buffer. Sejarah pengembangan grafika komputer berawal dari era tahun 1950an. Pada saat itu komputer masih sangat sederhana. Teknologi grafika komputer saat itu baru mampu menampilkan tampilan grafis sederhana menggunakan A/D converter. Kemudian pada era 1960-1970, mulai dikenal apa yang disebut dengan gambar wireframe, yakni garis-garis pembentuk objek.
20
Embed
BAB 1 Pendahuluan - Anny Yuniarti @ Teknik Informatika ITS …anny.if.its.ac.id/wp-content/uploads/Bab 01 - Pengenala… · · 2011-03-16bagaimana cahaya berinteraksi dengan material
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 1
BAB 1 – Pendahuluan
Gambaran umum materi: Pengenalan Sistem Grafika
Bab ini berisi tentang materi pendahuluan untuk mata kuliah Grafika Komputer, mengenalkan tentang
pengertian grafika komputer, proses pembentukan gambar, dan pengenalan sistem grafika. Sistem
grafika terdiri atas hardware, software, dan aplikasi-aplikasi lainnya. Selain itu akan dikenalkan pula
model dan arsitektur sistem grafika yang ada. Terakhir, dijelaskan tentang beberapa pemanfaatan
aplikasi grafika komputer sehingga mahasiswa dapat memahami pemakaian ilmu yang diperoleh di
dunia nyata.
Relevansi:
Materi ini mendasari pengertian grafika komputer dan mengenalkan beberapa aplikasi grafika komputer
di dunia nyata.
Kompetensi:
Mahasiswa dapat menjelaskan dasar-dasar sistem grafika
1.1. Pengertian Grafika Komputer
Tujuan: mengeksplorasi pengertian grafika komputer
Grafika komputer berkaitan dengan semua aspek dalam pembuatan gambar di komputer [1]. Aspek-
aspek tersebut antara lain adalah aspek perangkat keras komputer (hardware), perangkat lunak
(software), serta aplikasi-aplikasi.
Sistem grafika sederhana terdiri dari peralatan masukan (input devices), prosesor, memori,
frame buffer, dan peralatan luaran (output devices). Ilustrasi sistem grafika sederhana dapat dilihat
pada Gambar 1.1. Salah satu peralatan luaran yang lama digunakan adalah tabung sinar katoda atau
CRT (Cathode Ray Tube), yang dapat digunakan untuk menampilkan isi dari frame buffer.
Sejarah pengembangan grafika komputer berawal dari era tahun 1950an. Pada saat itu
komputer masih sangat sederhana. Teknologi grafika komputer saat itu baru mampu menampilkan
tampilan grafis sederhana menggunakan A/D converter. Kemudian pada era 1960-1970, mulai
dikenal apa yang disebut dengan gambar wireframe, yakni garis-garis pembentuk objek.
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 2
Gambar 1.1. Sistem grafika sederhana
Gambar 1.2. Representasi wireframe sebuah objek bola bertekstur
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 3
Gambar 1.3. Arsitektur Display Processor
Pada Gambar 1.2 terlihat gambar representasi objek bola bertekstur dalam bentuk wireframe.
Perkembangan selanjutnya adalah munculnya aplikasi grafika komputer interaktif yang digagas oleh
Ivan Sutherland dalam tesis PhD-nya di MIT. Interaktif disini berarti ada interaksi antara manusia
dengan mesin. Lebih spesifik lagi, dalam sebuah perulangan (loop), mesin akan menampilkan
sesuatu, manusia menggerakkan sebuah alat input (misalnya sebuah light pen), selanjutnya
komputer menghasilkan tampilan baru berdasarkan masukan pengguna tadi.
Sistem grafika dengan tujuan khusus awalnya dibangun dengan membebaskan komputer
dengan tujuan umum dari proses pembaruan tampilan secara kontinyu. Hal ini dilakukan dengan
menggunakan display processor yang memiliki arsitektur seperti Gambar 1.3. Didalam display
processor juga terdapat instruksi-instruksi untuk menampilkan bentuk-bentuk primitive seperti garis
dan kurva pada CRT. Kelebihan utama dari display processor adalah bahwa instruksi-instruksi untuk
membentuk sebuah gambar dapat disusun sekali di dalam host untuk kemudian dikirim ke display
processor dan disimpan di memori display processor dalam bentuk sebuah display list. Selanjutnya
display processor akan mengeksekusi berulangkali program yang terdapat pada display list dengan
tingkat pemanggilan program yang cukup cepat untuk menghindari adanya delay, dengan tidak
membebani host sehingga host dapat dibebani dengan tugas yang lain.
Pada era 1970-1980, mulai dikenal standard dalam grafika komputer. Selain itu, raster graphics
menjadi metode yang paling umum saat itu. Workstation dan personal computer (PC) juga menjadi
platform yang umum untuk sebuah sistem grafika. Pada raster graphics, gambar dihasilkan oleh
sebuah array (raster) dari elemen-elemen gambar (piksel) dalam frame buffer. Contoh ilustrasi
raster graphics dapat dilihat pada Gambar 1.4. Pada Gambar 1.4, terlihat objek mata kucing apabila
diperbesar ukurannya akan tampak efek pecah-pecah (jaggies). Salah satu kelebihan dari raster
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 4
graphics adalah memungkinkan untuk mengisi sebuah polygon, tidak hanya garis atau wireframe.
Sebagai contoh, objek wireframe sebuah bola pada Gambar 1.2 dapat ditampilkan menjadi sebuah
bola dengan permukaan yang terisi seperti pada Gambar 1.5.
Gambar 1.4. Raster Graphics (kiri) Objek kucing dengan ukuran asli (kanan) Objek mata kucing yang
dibesarkan ukurannya (zooming)
Pada era 1980-1990, unsur realisme mewarnai grafika komputer. Gambar 1.6-1.8 menampilkan
beberapa contoh efek realisme yang mampu dihasilkan, antara lain efek smooth shading,
environment mapping, dan bump mapping. Pada era 1990-2000, menjadi babak baru bagi aplikasi
grafika komputer. Hal ini dapat dilihat dari kesuksesan dari film Toy Story, film pertama yang secara
utuh dihasilkan dari komputer. Tentu saja kesuksesan tersebut juga didukung oleh adanya
kemampuan hardware yang baru, antara lain texture mapping, blending, dan adanya accumulation
buffer. Era tahun 2000 keatas, unsur fotorealisme sudah didukung, yakni efek gambar yang benar-
benar tampak nyata menyerupai foto objek yang asli. Pada saat ini sudah terdapat aplikasi-aplikasi
pendukung grafika untuk industri film animasi seperti Maya, Lightwave, dan sebagainya.
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 5
Gambar 1.5. Representasi filled polygons sebuah objek bola bertekstur dengan raster graphics
Gambar 1.6. Efek smooth shading pada objek bola
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 6
Gambar 1.7. Efek environment mapping pada objek bola
Gambar 1.8. Efek bump mapping pada objek bola
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 7
1.2. Pembentukan Gambar
Tujuan: mengenal istilah-istilah dalam pembentukan gambar, mengenal dasar-dasar ilmu fisika yang
mendasari pembentukan gambar seperti konsep tentang cahaya, warna, dan persepsi mata
manusia, mengenal model kamera sintetik serta model-model kamera lainnya.
Pada grafika komputer, gambar dua dimensi dihasilkan komputer melalui proses yang dapat
dianalogikan dengan proses pembentukan gambar pada sistem kamera, mikroskop, teleskop, atau
sistem visual manusia. Elemen-elemen proses pembentukan gambar antara lain: objek-objek,
viewer, dan sumber cahaya. Selain itu juga terdapat atribut-atribut lain yang menentukan
bagaimana cahaya berinteraksi dengan material benda yang ada di sebuah scene. Objek-objek,
viewer, dan sumber cahaya masing-masing berdiri sendiri, tidak tergantung satu sama lain. Gambar
1.9 mengilustrasikan proses pembentukan gambar pada kamera (sebagai viewer) dengan satu
sumber cahaya.
Gambar 1.9. Elemen-elemen pembentuk gambar
Cahaya adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang menyebabkan adanya sebuah reaksi
pada sistem visual manusia. Umumnya spektrum elektromagnetik tersebut memiliki panjang
gelombang antara 350-750 nanometer. Panjang gelombang yang tinggi akan nampak sebagai warna
merah, sedangkan panjang gelombang yang rendah akan nampak sebagai warna biru.
Salah satu cara untuk membentuk gambar adalah dengan mengikuti sinar cahaya dari sebuah
titik sumber cahaya untuk menemukan sinar mana yang masuk ke dalam lensa kamera. Proses ini
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 8
disebut dengan Ray Tracing. Akan tetapi, setiap sinar memungkinkan untuk memiliki lebih dari satu
interaksi dengan objek sebelum pada akhirnya diserap atau sinar tersebut dipantulkan. Gambar 1.10
mengilustrasikan proses Ray Tracing ini.
Gambar 1.10. Ray Tracing
Gambar abu-abu (luminance image) memiliki model warna monokromatik dan memiliki nilai-
nilai dalam derajat keabuan. Contoh gambar abu-abu adalah gambar yang dilihat pada televisi hitam
putih atau film hitam putih. Gambar berwarna (color image) memiliki atribut persepsional seperti
hue, saturation, dan tingkat terang-gelap sebuah warna (lightness).
Sistem visual manusia memiliki dua jenis sensor. Sensor yang pertama disebut rod, peka
terhadap warna monokromatik. Sensor yang kedua disebut cone, peka terhadap warna. Ada tiga
jenis cone, sehingga hanya tiga nilai (nilai tristimulus) yang dikirim ke otak. Oleh karena itu, sistem
visual manusia hanya membutuhkan tiga warna primer untuk membentuk berbagai warna yang
dikenali mata manusia. Gambar 1.11 memperlihatkan susunan mata manusia.
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 9
Gambar 1.11. Susunan mata manusia
CRT berwarna memiliki tiga fosfor yang berbeda warnanya (merah, hijau, dan biru), disusun
dalam kelompok-kelompok kecil. Salah satu jenis penyusunan fosfor adalah dalam kelompok
triangular yang disebut triad, dimana masing-masing triad terdiri dari tiga fosfor, satu fosfor untuk
satu warna primer. Sebagian besar CRT berwarna memiliki tiga electron beam, sesuai dengan tiga
jenis fosfor yang dimiliki. Pada CRT shadow-mask (lihat Gambar 1.12), sebuah lempengan logam
dengan lubang-lubang kecil (shadow-mask) akan memastikan sebuah tembakan electron akan
mengenai fosfor dengan warna yang sesuai.
Gambar 1.12. CRT shadow-mask
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 10
Warna dibedakan dalam dua jenis, yaitu warna aditif dan warna substraktif. Warna aditif adalah
model warna yang dihasilkan dari proses penambahan nilai ketiga warna primer (Red, Green, Blue –
RGB). Warna aditif banyak digunakan pada CRT, sistem proyeksi, dan film positif. Model warna
substraktif menghasilkan warna dengan menyaring cahaya putih dengan warna cyan (C), magenta
(M), dan yellow (Y). Model warna substraktif disebut juga dengan model CMY. Model ini banyak
digunakan pada peralatan printing, dan film negatif.
Kamera paling sederhana adalah kamera pinhole. Ilustrasi kamera pinhole dapat dilihat pada
Gambar 1.13. Secara sederhana, kamera pinhole terbuat dari sebuah balok, yang salah satu sisinya
memiliki lubang (pinhole), tempat cahaya masuk. Film untuk kamera diletakkan didalam balok pada
sisi seberang pinhole. Awalnya, pinhole tersebut ditutup. Pinhole akan terbuka dalam waktu yang
singkat untuk menerangi film. Apabila kamera diletakkan pada sepanjang sumbu z, dengan pinhole
terletak pada pusat sistem koordinat, bidang film terletak pada jarak d dari pinhole, maka sebuah
tampilan dari samping sebuah kamera pinhole dapat dilihat pada Gambar 1.14. Dengan demikian,
sebuah titik pada posisi (x, y, z) dapat dihitung posisinya pada bidang film z=-d dengan rumus
berikut:
Gambar 1.13. Kamera pinhole
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 11
Gambar 1.14. Sisi samping kamera pinhole
Model kamera sintetik dapat dilihat pada Gambar 1.15. Pada model kamera sintetik, bidang gambar
(image plane) terletak diantara kamera dan objek. Model ini memisahkan posisi objek, viewer, dan
sumber cahaya sebagai objek yang independen. Pada model ini, gambar dua dimensi (2D)
merupakan kasus khusus dari gambar tiga dimensi (3D).
Gambar 1.15. Model Kamera Sintetik
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 12
1.3. Model dan Arsitektur Sistem Grafika
Tujuan: mengenal perancangan dasar sebuah sistem grafika, mengenal arsitektur pipeline, mengenal
komponen-komponen perangkat lunak pada sebuah sistem grafika interaktif.
Sebuah API (Application Programmer Interface) dapat diimplementasikan dengan dua pendekatan.
Pendekatan yang pertama disebut dengan pendekatan fisik, meliputi ray tracing dan radiosity.
Pendekatan yang kedua disebut dengan pendekatan praktis, yakni memproses objek-objek satu
persatu dengan urutan sesuai pembuatan objek tersebut dalam aplikasi. Arsitektur yang
menggunakan pendekatan ini adalah arsitektur pipeline (lihat Gambar 1.16).
Gambar 1.16. Arsitektur pipeline
Semua proses pada arsitektur pipeline dapat diimplementasikan dalam perangkat keras pada
graphics card.
Proses pertama pada arsitektur pipeline adalah pemrosesan verteks. Dalam proses ini dilakukan
pengkonversian representasi objek dari satu sistem koordinat ke sistem koordinat yang lain. Sistem
koordinat disini meliputi sistem koordinat objek, sistem koordinat kamera, dan sistem koordinat
layar. Setiap perubahan sistem koordinat dapat diekivalenkan dengan sebuah transformasi matriks.
Pemrosesan verteks juga melakukan penghitungan warna verteks.
Pada proses kedua, vertex-verteks dikumpulkan membentuk objek-objek geometri untuk
selanjutnya objek-objek tersebut akan di-clip dan di-raster. Objek geometri disini meliputi segmen
garis, poligon, kurva dan surface. Proses clipping akan membuang objek-objek yang berada diluar
clipping window atau clipping volume. Jika sebuah objek tidak dibuang pada proses clipping, maka
piksel-piksel yang bersesuaian dengan objek tersebut didalam frame buffer akan diberi warna.
Proses selanjutnya adalah rasterizer. Rasterizer menghasilkan kumpulan fragmen untuk setiap
objek tersebut. Fragmen disini merupakan piksel-piksel yang potensial untuk nantinya di-render.
Fragmen memiliki sebuah lokasi dalam frame buffer dan memiliki atribut warna serta kedalaman.
Atribut-atribut verteks diinterpolasi oleh rasterizer.
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 13
Pada proses yang keempat, fragmen-fragmen diolah untuk menentukan warna piksel yang
bersesuaian didalam frame buffer. Cara untuk menentukan warna dapat menggunakan interpolasi
warna verteks, atau dengan texture mapping. Fragmen tertentu bisa saja tertutupi oleh fragmen
yang lain yang posisinya lebih dekat dengan kamera. Jika hal ini terjadi, diperlukan sebuah algoritma
hidden surface removal untuk dapat menampilkan gambar yang benar.
1.4. Aplikasi Grafika Komputer
Tujuan: mengeksplorasi beberapa area aplikasi grafika komputer
Pada awalnya, grafika komputer digunakan untuk menampilkan (visualisasi) grafik sederhana,
seperti Data Plotting, termasuk plot surface dan time charts. Visualisasi melalui perumpamaan
gambar merupakan cara yang efektif untuk menyampaikan ide, baik ide abstrak maupun ide konkrit.
Contoh dari sejarah visualisasi adalah lukisan gua, hieroglyph Mesir, Geometri Yunani dan metode
revolusioner dalam menggambar teknik oleh Leonardo da Vinci untuk tujuan rekayasa dan ilmiah.
Michael Friendly pada tahun 2008 berpendapat bahwa terdapat 2 bagian utama visualisasi data,
yakni grafik statistik dan kartografi tematik. Pada artikel yang berjudul “Data Visualization: Modern
Approaches” (2007), disebutkan tujuh subjek visualisasi data yaitu: Mindmap, Displaying News,
Displaying Connections, Displaying Websites, Articles and Resources, Tools and Services. Contoh
visualisasi data dapat dilihat pada Gambar 1.17 dan Gambar 1.18.
Gambar 1.17. Fungsi mesh dan surf pada Matlab
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 14
Gambar 1.18. Screenshot Human-Computer Interaction Lab
Selain untuk visualisasi data, grafika komputer juga dapat digunakan untuk seni komputer
(computer art). Seni komputer (computer art) adalah jenis seni yang menggunakan komputer untuk
membuat dan menampilkan suatu hasil karya seni tertentu. Jenis kesenian kontemporer ini meliputi
seni yang berkaitan dengan gambar (image), suara, animasi, video, CD-ROM, DVD-ROM, video game,
web site, algoritma, pertunjukan atau pameran foto (gallery). Banyak bidang disiplin ilmu yang lama
sekarang telah menggunakan teknologi digital dan komputer, sehingga garis batas antara hasil karya
seni tradisional/lama dan hasil olahan media dengan menggunakan komputer menjadi sukar untuk
dibedakan. Sebagai contoh, banyak pelukis sekarang telah menggabungkan cara melukis tradisional
dengan cara seni algoritmis/berulang menggunakan teknik pemrosesan gambar digital atau
penyuntingan gambar digital. Hasil seni gabungan ini sudah mulai nampak di banyak museum. Seni
komputer diperkenalkan pertama kali pada tahun 1963 oleh Joan Shogren dari San Jose State
University yang menulis program berdasarkan prinsip kesenian. Hasil karyanya ini kemudian
Bab 1 Bahan Ajar Mata Kuliah Grafika Komputer
Compiled by Anny Yuniarti 15
dipamerkan sebagai seni komputer pertama di sebuah kota San Jose, California pada tanggal 6 Mei
1963.
Bila berbicara tentang seni pada komputer tentunya juga berbicara tentang CGI. CGI merupakan
kependekan dari Computer-generated Imagery. CGI adalah sebuah aplikasi yang masih dalam bidang
Grafika Komputer (Computer Graphics), atau lebih spesifik, Grafika Komputer 3 dimensi untuk efek
spesial pada film, program TV, iklan, serta simulasi. Video game biasanya menggunakan Grafika
Komputer secara real-time. Beberapa contoh aplikasi yang dapat digunakan untuk menghasilkan