Computação grafica

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COMPUTAÇÃO GRÁFICA E INTERFACES

Introdução

Carlos Carreto

Curso de Engenharia InformáticaAno lectivo 2003/2004

Escola Superior de Tecnologia e Gestão da Guarda

Sumário

◊ O que é a Computação Gráfica

◊ Aplicações da Computação Gráfica

◊ Breve História da Computação Gráfica

◊ Dispositivos Gráficos

O que é a Computação Gráfica

A computação gráfica é a área das ciências da computação que estuda a geração, armazenamento, manipulação e interpretação de imagens por meio de computadores.

O termo “computação gráfica” foi usado pela primeira vez em 1960 por William Fetter para descrever novos métodos de desenho gráfico usados no design do cockpit de aviões da Boeing.

Podemos dividir a computação gráfica em:

Bidimensional (2D)

Tridimensional (3D)


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Ou em:

Computação Gráfica Passiva O computador é usado para definir, armazenar, manipular e apresentar imagens gráficas. O computador prepara e apresenta dados armazenados sob forma de imagens e o observador não interfere nesse processo. É por exemplo o caso da geração de um gráfico de barras a partir de uma tabela de dados, ou a visualização de uma animação ou filme.

Computação Gráfica InteractivaO computador também é utilizado para preparar e apresentar imagens. No entanto, neste caso o utilizador pode interagir em tempo real com a imagem. É o caso de um jogo de computador, de um programa de CAD ou de um sistema de realidade virtual.


Computação Gráfica Interactiva O utilizador pode controlar o conteúdo, estrutura e aparência dos objectos e das imagens através de feedback visual.


O primeiro sistema gráfico interactivo chamava-se Sketchpad e foi criado em 1963 por Ivan Sutherland durante o seu doutoramento no MIT.

Componentes de um sistema gráfico interactivo

ModeloModelo ProgramaProgramaSistema

Gráfico

Sistema

Gráfico

Output (ecrã, impressora, gravador de vídeo, HMD, etc)

Input (rato, teclado, scanner, etc)

O que é a Computação GráficaA Computação Gráfica, no seu sentido mais global, assume diversas formas/aplicações, suficientemente diferenciadas para que mereçam distinção e definições próprias:

◊ Síntese de Imagem

◊ Processamento de Imagem

◊ Análise de Imagem

◊ Visualização Computacional

Aplicações

Síntese de ImagemAs imagens são geradas artificialmente a partir de um conjunto de definições. O objectivo é a criação e representação de objectos e cenas. São exemplos de aplicação os sistemas CAD, a simulação, a animação, os jogos, os efeitos especiais no cinema, etc.

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Aplicações

Processamento de ImagemTransformação de imagens com o objectivo de melhorar as características visuais da imagem tais como aumentar o contraste, ou o foco, ou ainda reduzir o ruído e distorções. É o caso do tratamento de imagens enviadas por satélite, aperfeiçoamento de fotografias, etc.

Análise de ImagemReconhecimento e classificação de padrões contidos nas imagens, com o objectivo de produzir como output uma descrição abstracta da imagem. É o caso dos sistemas de reconhecimento óptico de endereços dos correios, do diagnóstico médico a partir da tomografia axial computorizada (TAC), visão robótica, etc.

Aplicações

Visualização ComputacionalRepresentação gráfica de informação, de forma a facilitar o entendimento de conjuntos de dados numéricos de alta complexidade. Exemplos de áreas de aplicação são: visualização de imagens médicas, meteorologia, dados financeiros, dinâmica dos fluidos, e muitas outras. A representação gráfica é gerada automaticamente a partir dos dados e ao utilizador cabe definir parâmetros e atributos da imagem para melhor navegar no conjunto de dados. Dessa maneira, a visualização de dados partilha de características da síntese, do processamento e da análise de imagem.

AplicaçõesO seguinte diagrama representa a relação entre as quatro áreas descritas.

Aplicações

Síntese de Imagens

Análise de Imagem

Visualização

Processamento de Imagem

VisualizaçãoD

escr

ição

Imag

em

Imag

em

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Os primórdios (1950-1960)Output: Texto e alphamosaicInput: Linha de comandoControle da aparência: Formatação codificadaControle da aplicação: Monotarefa, processamento batch

Breve História da Computação Gráfica

Whirlwind, primeiro computador a possuir recursos gráficos de visualização de dadosnuméricos foi o, desenvolvido pelo MIT

SAGE (Semi-Automatic GroundEnvironment), convertia as informações capturadas pelo radar em imagem em um tubo de raios catódicos (na época uma invenção recente), utilizando ainda uma caneta luminosa (light pen).

Sistemas Vectoriais (1963 - 1980s)Output: Desenho de estruturas em arame; Input: Linha de comando, teclados de funções e menusControle da aparência: Pseudo WYSIWYGControle da aplicação: Monotarefa e multitarefa


Uma das mais importantes publicações de Computação Gráfica até hoje, a tesedo Dr. Ivan Sutherland (Sketchpad – a man-Machine Graphical CommunicationSystem). No início da década de 60, chamou a atenção das indústrias automobilísticas e aeroespaciaisamericanas.

General Motors desenvolve o precursor dos primeiros programas de CAD

Sistemas Raster dos PCs (1972 - hoje)Output: Janelas, icons, texto e imagens bitmapInput: WIMP GUI (Windows, Icons, Menus, Pointer Graphical UserInterface): metáfora do desktop conceito de window, manipulação directa através de pointing e clickingControle da aparência: WYSIWYGControle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas


A GUI é uma das principais aplicações da computação gráfico hoje em dia.

Estações Gráficas 3D (1984 - hoje)Output: Imagens foto-realistas em tempo real de cenas 3DInput: Dispositivos de input 2D, 3D e nD, dispositivos de feedbackControle da aparência: WYSIWYGControle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas


Estações gráficas poderosas e sofisticadas bibliotecas gráficas permitem a geração de imagens foto-realistas

Novos dispositivos de inputcom capacidade de feedback táctil.

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Novas tecnologias (1990s - hoje)Multimedia: Texto e gráficos em sincronia com som e vídeoHipermedia: Multimédia com ligaçõesWorld Wide Web: Hipermedia a uma escala globalRealidade Virtual: RV imersiva (via HMD), não imersiva (via ecrã), Cave, Realidade AumentadaNovos Interfaces com o utilizador: 3D Widgets, baseados em gestos, interfaces sociais, agentes, avatares, etc.


Realidade aumentada sobrepõe imagens geradas por computador a imagens do mundo real.

Sistema de pintura virtual, CAVE Painting.

Hardware gráficoA evolução do hardware é crucial no desenvolvimento da computação gráfica. Cada 18 meses o poder computacional duplica e o preço é reduzido para metade (Lei de Moore). A CPU Intel de um Pentium 4 contem 55 milhões de transístores, comparados com apensa os 26 milhões da CPU do Pentium III

A evolução de plataformas de jogos e placas gráficas têm ainda exponenciais maiores, melhorando substancialmente a cada 6 meses.A GPU da última nVidia GeForce FX tem 135 milhões de transístores!

Por volta de 2017 a lei de Moore será suplantada pelas leis da física que apenas permitem encolher os transístores de um chip até um determinado limite. Mesmo assim é de esperar que o poder computacional continue a aumentar graças a computadores não baseado em silício tais como computadores quânticos, ópticos e de ADN.


Nota históricaOs primeiros computadores dispunham apenas de impressorasde caracteres como dispositivo de saída. Utilizavam-se técnicastais como half tone para se conseguir reproduzir imagens nas impressoras.

Durante os anos 50 e 60, quando se acelerou o desenvolvimentode tecnologias de Computação Gráfica, inventou-se um novoconceito em visualização: em vez de caracteres, as imagenspassaram a ser geradas por um conjunto de pontos individuais chamados pixel (picture element).

Dispositivos Gráficos

Classificação

Os dispositivos gráficos podem ser classificados, entre outros,segundo dois pontos de vista:

No que se refere à finalidade podemos classificá-los comodispositivos gráficos de entrada, ou de saída.

No que se refere ao formato dos dados podemos classificá-loscomo dispositivos gráficos matriciais, ou vectoriais.


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Dispositivos Gráficos de Entrada

Nos dispositivos gráficos de entrada o termo matricial defineUma classe de dispositivos em que os dados são colhidos emconjunto e armazenados em forma de matrizes.

Por outro lado dispositivos vectoriais de entrada denotamequipamentos através dos quais se pode colher dadosde forma isolada.


Funções dos Dispositivos Gráficos de Entrada

1. Controlo do cursor;

2. Digitalização de informações gráficas externas aocomputador;

3. Seleccionar comandos e funções.


Exemplos de Dispositivos Gráficos de Entrada

TecladoDispositivo vectorial. É o dispositivo mais comum de todosos computadores. Como dispositivo gráfico de entrada éutilizado quando nos valemos das teclas de função e de setasPara movimentar um cursor sobre o ecrã de um monitor devídeo;

Dispositivos GráficosExemplos de Dispositivos Gráficos de Entrada

RatoDispositivo vectorial. O utilizador ao deslocar o ratosobre uma mesa produz a rotação de uma esfera . Estarotação é convertida em impulsos e enviada aocomputador sob a forma de números que definem odeslocamento do rato em relação a sua posição anterior.É normalmente utilizado para mover um cursor sobre oecrã e permitir a criação de desenhos ou a escolha deopções em menus, entre outras funções. Possui na suaparte superior, um ou mais botões que ao serempressionados também geram sinais para o computador.


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TrackballDispositivo vectorial. Pode ser considerado umrato de cabeça para baixo através do qual outilizador gira directamente uma esfera colocadadentro de uma pequena caixa. Estes giros sãotratados de forma idêntica ao queacontece com um rato de esfera.


ScannerDispositivo matricial. É um aparelho que possuisensores capazes de detectar as mudanças decoloração de uma superfície (desenhos e letras),transferindo ao computador uma matriz de pontoscorrespondentes a essas mudanças de coloração.



Mesa DigitalizadoraDispositivo vectorial. É constituída por umamesa e por um apontador (caneta ou rato). Cada vez que o utilizador toca na mesa com o apontador é enviado ao computador a coordenadadesse ponto dentro da mesa. Existem três tiposbásicos de mesas digitalizadoras: mesa de sensorespor pressão; mesa de leitura eléctrica e mesasacústicas.


Digitalizador 3DDispositivo vectorial. Consiste numa espéciede braço mecânico com um sensor de toque naponta. Cada vez que o sensor atinge um ponto nasuperfície de um objecto a coordenada 3D deste ponto em relação a um ponto dereferência, é transmitida ao computador.


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LuvaDispositivo vectorial. Uma maneira intuitiva decomandar acções no mundo virtual é usar gestoscapturados por luvas, como puxar, empurrar, girar,agarrar, soltar, tocar, etc. Uma luva é construídacom material leve com transdutores acoplados aolongo dos dedos. Os transdutores podem ser straingages ou fibra óptica que têm suas característicasalteradas pela tensão. Um rastreador no pulsofornece o posicionamento e a orientação da mãoenquanto os transdutores dão os movimentos dosdedos. Uma variação das luvas são aquelas comreacção de força, constituídas de sensores eactuadores, dando a impressão de toque real nosobjectos.


Dispositivos Gráficos de Saída

Para dispositivos gráficos de saída, por sua vez, o termomatricial designa dispositivos cuja geração de imagens dá-se"acendendo" ou "apagando" pontos de uma matriz.

Por outro lado, dispositivos vectoriais de saída são aqueles emque as imagens são geradas através de comandos específicospara a geração de primitivas gráficas como, por exemplo,linhas e círculos.


Output Gráfico: Vectorial vs. Quadricula

Dispositivos GráficosArquitectura Vectorial


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Arquitectura Raster (Quadricula)

Dispositivos GráficosArquitectura Raster de 1 bit


Capacidade apenas para duas cores

O valor de intensidade éconvertido por um DAC num sinalanalógico que irá controlar o raiode electrões

Arquitectura Raster de n-bits


Capacidade para 2n cores ou intensidades

A look-up table permite 2n

cores a partir de 224 cores parausar numa imagem, e outras 2n

cores para usar noutra imagem

Funcioanemnto da Look-Up Table


O valor do pixel no frame buffer, serve de índice na Look-Up Table (CLUT), onde está armazenada a cor.

Nos sistemas True Color, são usados 24 bits para representar a cor, 8 bits para cada cor básica 224 = 16.7 milhões de cores, mais das que o olho humano pode destinguir (entre 7 e 10 milhões)

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Exemplos de Dispositivos Gráficos de Saída

Traçador gráfico ou plotterDispositivo vectorial. É um dispositivo que utiliza uma caneta para riscar o papel. Existem dois modelos básicos. Um onde o papel permanece fixo e a caneta produz desenhos sobre o mesmo pela combinação de movimentos horizontais e verticais, e outro onde o desenho é produzido pela combinação dos movimentos do papel e da caneta (um ortogonal ao outro). Independente do modelo os traçadores são, em geral, dispositivos que recebem comandos de alto nível que especificam o traçado de pontos, linhas, círculos, arcos, etc.

Dispositivos GráficosExemplos de Dispositivos Gráficos de Saída

Impressoras matriciais Dispositivo matricial. Possuem uma cabeça onde estão montadas colunas de agulhas. Estas agulhas são pressionadas contra uma fita gerando imagens no papel. Para se obterem imagens colorias é necessário usar fitas de mais de uma cor como nas máquinas de escrever.



Impressoras a jactos de tintaDispositivo matricial. Possuem na cabeça minúsculos tubos que injectam tinta sobre o papel. Utilizando tintas de várias cores obtém-se imagens semelhantes a fotografias, sendo esta sua grande vantagem.


Impressoras laserDispositivo matricial. São as que possuem melhor qualidade de imagem em preto e branco. Funcionam de maneira semelhante às máquinas de fotocópias. A imagem é magnetizada por laser num tambor sobre o qual é espalhado tonner que se concentra nos pontos magnetizados. Em seguida o tambor é pressionado sobre o papel que absorve a tinta. O grande problema das impressoras laser é que para poder gravar a imagem sobre o tambor é necessário que a mesma seja mapeada em memória. Como a resolução é muito alta esta memória tende a ser bastante grande (da ordem dos mega bytes).


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Monitores de vídeoDispositivo matricial. É baseado num tubo de raios catódicos. Uma cápsula de vidro de formato especial constitui o corpo e é suporte para todos os seus componentes internos. A parte frontal do tubo é revestida com uma camada de fósforo, um produto químico capaz de emitir luz quando bombardeado por electrões. O canhão de electrões situa-se na extremidade oposta do tubo e é capaz de direccionar o seu feixe para uma determinada posição do ecrã gerando assim um pixel. À medida que deslocamos o feixe, o rastro de brilho que fica sobe a tela irá compor a imagem. De tempos em tempos é necessário fazer um refresh da imagem (cerca de 60 vezes por segundo), ou seja, é necessário que o canhão redesenhe a mesma imagem antes que o fósforo se apague. Desta maneira tem-se a ilusão de que a imagem permanece "acesa".


HMD e óculos estereoscópicosTanto os capacetes como os óculos dão a noção de profundidade.Os capacetes permitem a imersão, enquanto que os óculos nãofazem isto por si só, dependendo do ambiente de visualização.Usando monitor, a visualização é não imersiva, enquanto quedentro de uma CAVE tem-se a visualização imersiva. Os óculosestereoscópicos funcionam com a comutação entre transparênciae escurecimento de cada lente, sincronizados com a apresentaçãoda imagem para cada olho no monitor. Como cada imagem édesfasada de outra, em relação à distância, a comutação rápida daimagem e da transparência/escurecimento das lentes faz com que apessoa tenha a sensação de estar a ver uma cena realtridimensional. O capacete, por outro lado, apresenta duas imagensdesfasadas (uma para cada olho), directamente nos olhos doutilizador. Como o capacete é rastreado, a movimentação da cabeçafaz com que as imagens sejam geradas, de acordo com a posição eorientação do utilizador.



CAVEDispositivo matricial. O ambiente CAVE (CaveAutomatic Virtual Environment), desenvolvidoinicialmente na Universidade de Illinois, Chicago,em 1992, tornou-se bastante popular pelas suascaracterísticas de imersão, tamanho real evisualização em grupo. O ambiente é baseadonuma sala, onde as paredes, piso e teto são telasque recebem a projecção sincronizada daspartes de um mundo virtual. A CAVE comporta-se assim como uma bolha com os utilizadoresdentro, navegando no mundo virtual.


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