BAB 1 Pendahuluan - Anny Yuniarti @ Teknik Informatika ITS...

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.



Gambar 1.1. Sistem grafika sederhana

Gambar 1.2. Representasi wireframe sebuah objek bola bertekstur



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



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.



Gambar 1.5. Representasi filled polygons sebuah objek bola bertekstur dengan raster graphics

Gambar 1.6. Efek smooth shading pada objek bola



Gambar 1.7. Efek environment mapping pada objek bola

Gambar 1.8. Efek bump mapping pada objek bola



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



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.



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



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



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



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.



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



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



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

efek diatas antara lain: GIMP, Adobe Photoshop, CorelDraw, 3ds Max, Blender, LightWave 3D, Maya

Softimage XSI, serta CorelDRAW. Gambar 1.19 memperlihatkan antar-muka program Adobe

Photoshop.

Gambar 1.19. Seni Komputer Menggunakan Adobe Photoshop

Penggunaan grafika komputer yang lain adalah untuk pengolahan citra. Pengolahan citra adalah

suatu bentuk pengolahan sinyal dimana masukan berupa gambar, seperti foto atau frame dari

video; keluaran dari pengolahan citra dapat berupa gambar atau sekumpulan karakteristik atau

parameter yang berelasi dengan gambar. Kebanyakan teknik pengolahan citra melibatkan

penanganan gambar sebagai sinyal dua dimensi dan menggunakan teknik pengolahan sinyal standar

terhadap proses tersebut. Pengolahan citra biasanya mengacu kepada pengolahan citra digital,



tetapi pengolahan citra optikal dan analog juga dimungkinkan. Contoh aplikasi pengolahan citra

seperti ditunjukkan pada Gambar 1.20.

Gambar 1.20. Salah satu jenis pengolahan citra

Aplikasi grafika komputer yang lain di bidang pendidikan dan pelatihan adalah menghasilkan

grafis yang dapat digunakan sebagai alat bantu pendidikan. Permodelan yang dihasilkan dapat

berupa grafis dua dimensi seperti yang biasa digunakan dalam memodelkan rangkaian-rangkaian

digital atau elektronika maupun proses fisika. Permodelan tiga dimensi sering digunakan dalam

memodelkan struktur molekul dalam biologi, merancang model bangunan sehingga dapat

mempelajari suatu bidang secara mendetail. Contoh aplikasi grafika komputer di bidang pendidikan

dapat dilihat pada Gambar 1.21.

Di bidang hiburan, sampai saat ini grafika komputer terus dikembangkan sehingga menghasilkan

sebuah objek yang mendekati kenyataan. Saat ini sudah dapat dihasilkan sebuah film animasi yang

semua aspeknya sudah mendekati kenyataan seperti gambar yang lebih halus, gerakan yang

semakin luwes, serta kualitas yang mendekati dunia nyata. Saat ini juga banyak film yang berjenis

live-action yaitu film yang menggabungkan animasi dengan dunia asli. Contoh screen-shot film

animasi dapat dilihat pada Gambar 1.22 dan Gambar 1.23.



Gambar 1.21. Proses menggambar dengan AutoCAD dan Electronic Workbench

Gambar 1.22. Proses Pembuatan Film Transformers



Gambar 1.23. Film Toy Story dan Shrek

Penggunaan grafika komputer pada GUI (graphical user interface) adalah aplikasi yang paling

banyak digunakan. GUI merupakan semacam antarmuka yang mampu membuat manusia

berinteraksi dengan alat-alat elektronik seperti komputer, piranti genggam, (MP3 Player, Portable

Media Players, piranti permainan), peralatan rumah tangga, dan perlengkapan kantor. Sebuah GUI

memberikan ikon bergambar, dan indikator visual berkebalikan dengan text-based interface, label

perintah tertulis atau navigasi teks untuk merepresentasikan informasi secara penuh dan perintah

yang tersedia kepada pengguna. Sebagai contoh, GUI Sistem Operasi Linux, Windows Vista, atau

Macintosh X Leopard. Tampilan GUI tersebut dapat dilihat pada Gambar 1.24 dan Gambar 1.25.



Gambar 1.24. Windows Vista dengan fitur Aero

Gambar 1.25. Ubuntu Linux dengan fitur GNOME

1.5. Rangkuman

Grafika komputer merupakan proses pembentukan gambar menggunakan komputer. Aplikasi

grafika komputer di berbagai bidang menjadikan grafika komputer sebagai bidang ilmu yang sangat

penting di kehidupan nyata. Proses pembentukan gambar yang diimplementasikan dalam grafika

komputer mengadopsi proses pembentukan gambar pada sistem visual tanpa komputer seperti

pada visual manusia atau kamera. Model kamera paling sederhana yang diimplementasikan adalah

model kamera pinhole. Akan tetapi, pada perkembangan selanjutnya model kamera yang banyak



digunakan adalah model kamera sintetik. Sistem grafika mengikuti model pipeline, yang terdiri dari

fase pemrosesan verteks-verteks, clipper dan pembentukan bentuk objek primitif, rasterizer, serta

pemrosesan fragmen-fragmen sebelum kemudian disimpan dalam frame buffer dan siap

ditampilkan.

Pustaka:

[1]. Edward Angel, “Interactive Computer Graphics: A Top-Down Approach Using OpenGL”, Fifth

Edition, Pearson International Inc, 2009, Chapter 1.

[2]. http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_graphics (Diakses pada tanggal 28 Agustus 2008)

[3]. http://en.wikipedia.org/wiki/ Data_visualization (Diakses pada tanggal 30 Agustus 2008)

[4]. http://id.wikipedia.org/wiki/Seni_komputer (Diakses pada tanggal 28 Agustus 2008)

[5]. http://id.wikipedia.org/wiki/Pengolahan_citra (Diakses pada tanggal 28 Agustus 2008)

[6]. http://www.computerarts.co.uk (Diakses pada tanggal 28 Agustus 2008)

BAB 1 Pendahuluan - Anny Yuniarti @ Teknik Informatika ITS...

Documents

Transcript of BAB 1 Pendahuluan - Anny Yuniarti @ Teknik Informatika ITS...