Introdução à Computação Gráfica - sites.google.com · – hardware/software ... (visão computacional) 7 Departamento de Matemática Escola Superior de Tecnologia e Administração

1Departamento de MatemáticaEscola Superior de Tecnologia e AdministraçãoInformática, Redes e Multimédia ICG/Introdução

Introdução àComputação Gráfica

Introdução

Ângelo Oliveira 13/Fev/2008


Sumário

Definição e EnquadramentoConceitos

Aplicações da CGArquitecturas GráficasSistemas GráficosDispositivos Raster

Conceitos CRTLCDArquitectura


Definição(1)

A Computação Gráfica é a área da computação que estuda a criação, armazenagem, manipulação e interpretação de modelos de objectos e subsequentes imagens por meio de computador.


Definição(2)

Engloba– hardware/software– algoritmos,– construções conceptuais de modelos (estáticos, dinâmicos)– formas de armazenar informação– teorias matemáticas para representação de imagens– modelos matemáticos para definição de sequências visuais em animação.– fenómenos físicos (óptica, por exemplo)– transformações geométricas de modelos– Sistemas de coordenas e projecções– …


Definição(3)

Áreas relacionadas– Informática

• Algoritmos• Estruturas de Dados• Métodos Numéricos

– Matemática• Geometria,• Álgebra Linear• Transformações

geométricas,• ..

– Física• Óptica• Mecânica

– Psicologia• Percepção da cor

– Arte• …

– Jogos• …


Definição(4)

Sub-domínios– Modelização/Processamento de dados– Síntese de Imagens– Processamento de imagens– Análise/interpretação de imagens

(visão computacional)


Definição(5)

Modelização/processamento de dados– Definição e estruturação de dados geométricos

computacionalmente, assim como a sua manipulaçãoSíntese de Imagens

– Os dados provenientes do sistema de modelização geométrica são processados e os resultados são apresentados na forma gráfica

– Frequentemente confundida com a própria definição de Computação Gráfica

Processamento de Imagens– A entrada é uma imagem que após ser processada fornece como

saída outra imagem.Ex: melhoramento/filtragem de imagens

Análise de Imagens:– Obter informações a partir de uma imagem (entrada). informações

geométricas, físicas sobre os dados que deram origem a imagem.Ex: Determinar o área de um elemento a partir de uma imagem


Enquadramento(1)

Modelo do Objecto

(3D)

Computação Gráfica

Sintese

Análise

Processamento da Imagem

Imagem do Objecto

(2D)

Raster

Display


Enquadramento(2)

SínteseProdução de representações visuais a partir das especificações geométrica e visual dos seus componentes.

AnáliseObtenção da especificação dos componentes de uma imagem a partir de sua representação visual. Ou seja a partir da informação pictórica da imagem (a própria imagem) produz uma informação não pictórica da imagem (por exemplo, as primitivas geométricas elementares que a compõem).

RasterDisplayDispositivo de saída gráfica que apresenta a informação através do preenchimento de uma matriz de pontos (pixels).


Modelos(1)

Representação de objectos 3D– Pontos– Linhas– Polígonos– Superfícies curvas– Texturas– …


Modelos(2)

Representação de objectos 3D


Modelos(3)

Representação de objectos 3D


Renderização(1)

Construção de imagens gráficas 2D a partir de modelos 3D


Renderização(2)

Construção de imagens gráficas 2D a partir de modelos 3D


Renderização(3)

Composição + Modelo


Renderização(4)

Composição de Imagens – efeitos especiais


Renderização(5)

Modelos de iluminação e textura


Renderização(6)

Imagens Artificiais


Renderização(7)

Imagens Artificiais


Imagens 2D(1)

Transformações (representações) 2D


Imagens 2D(2)

Morphing


Imagens 2D(3)

Morphing


Animação(1)

Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo– Captura do movimento


Animação(2)

Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo– Captura do movimento


Animação(3)

Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo– Modelização– Iluminação– Cinemática e Dinâmica


Aplicações da Computação Gráfica(1)

EntretenimentoJogos e muito mais.

Animação e SimulaçãoAnimações computadorizadas do comportamento variante no tempo de objectos reais ou simulados (por exemplo em filmes).

• criação de condições reais utilizando modelos físicos e matemáticos.• ilusão de uma cena em movimento, utilizando sequência de imagens estáticas



Entretenimento(…)



InterfacesA maioria das aplicações para computadores pessoais e estações de trabalho actualmente dispõem de interfaces gráficos baseados em janelas, menus dinâmicos, ícones, etc.

CartografiaA computação gráfica é usada para produzir representações precisas e esquemáticas de fenómenos naturais e geográficos obtidos a partir da recolha de dados.

Diagramas para Gestão, Ciência e TecnologiaAplicações direccionadas para o utilizador em ciência, tecnologia e negócios geram gráficos que ajudam na tomada de decisões, esclarecem fenómenos complexos e representam conjuntos de dados de forma clara e concisa.



Visualização Cientifica



Treino & Planeamento



CADSistemas gráficos interactivos são utilizados para prever o formato de componentes, peças e sistemas de dispositivos mecânicos, eléctricos e electro-mecânicos. O objectivo é interagir com um modelo computacional do componente ou sistema sendo projectado, de forma a testar propriedades estruturais, eléctricas ou térmicas, até atingir um projecto satisfatório.



Controle de processosSistemas de controlo de tráfego aéreo e espacial, sistemas de controlo de refinarias e de centrais eléctricas que mostram graficamente os dados recolhidos por sensores ligados a componentes críticos dos sistemas, de forma que os operadores possam responder adequadamente a condições críticas.

Publicidade



Educação



Comércio Electrónico



Arte


Computação Gráfica Interactiva

• Actualmente a CG é altamente interactiva: o utilizador controla dinamicamente as imagens quanto ao seu conteúdo, formato, tamanho, cor ou outro possível atributo, numa superfície de visualização (um ecrã por exemplo) e através de dispositivos de interacção (rato e/ou teclado).

• Até ao início dos anos 80, tal não era possível, e a CG era uma disciplina restrita e altamente especializada (e porquê?...)

• A partir do advento dos computadores pessoais de baixo custo (PC’s), tudo mudou...


Sistemas Gráficos(1)

Objectivo• Como obter uma imagem gráfica?

– A primeira ideia que se tem é que para a obtenção de uma imagem gráfica basta implementar funções para desenhar cada tipo de objecto (ponto, polígonos, etc).

• Mas ...– Como controlar os atributos (cor, reflexão, iluminação, …) dos objectos?– Como resolver problemas de visibilidade?– Como suportar diversos dispositivos gráficos?– Como fazer programas independentes do sistema operativo utilizado?

• Possível solução!– APIs gráficas – sistemas gráficos– Conjunto de funções gráficas que tem por objectivo normalizar a

construção de aplicações e permitir a sua portabilidade.


Sistemas Gráficos(2)

Em que consiste?

• Modelo da aplicação– Representação de dados e objectos a serem visualizados (ex: definidos por

aplicações específicas, base de modelos)• Programa da aplicação

– Gestão dos dados a serem visualizados– Tratamento de entradas gráficas (eventos)– Chamadas aos comandos gráficos

• Sistema gráfico (API)– Mapeamento entre primitivas gráficas e sua visualização– Mapeamento entre acções do utilizador e entradas para o programa da aplicação– A API proporciona à aplicação um interface independente para o hardware gráfico.


Sistemas Gráficos (História) (1)

2DPostscript

Tornou-se um padrão por facilitar a publicação de documentos estáticos contendo gráficos 2D e texto.

XWindowsPadrão para o desenvolvimento de interfaces gráficos 2D em Workstations UNIX.



3DCore GraphicsSystem(1979)

Primeira tentativa Americana.

GKS (GraphicsKernelSystem)Primeira especificação aprovada pela ANSI e ISO em 1985. O GKS suporta um conjunto de primitivas gráficas interrelacionadas, tais como: desenho de linhas, polígonos, caracteres, etc.

PHIGS(Programmer’s Hierarchical InteractiveGraphics System)Baseado no GKS, PHIGS éum padrão ANSI. O PHIGS (e seu descendente, PHIGS+) dispõe de meios para manipular e desenhar objectos 3D encapsulando descrições de objectos e seus atributos numa displaylist.



OpenGL– Um dos sistemas gráficos mais populares actualmente. Os

jogos da IDSoftware(Doom, Quake) são baseados no OpenGL. O OpenGL(GraphicsLibrary) é um padrão relativamente novo (a sua 1ªversão é de 1992) e é baseado na biblioteca GL das Workstations IRIS da SiliconGraphics.

– Consiste num conjunto de procedimentos e funções que permitem especificar os objectos e as operações que os envolvem produzindo resultados de alta qualidade.



DirectX (API)– Criado pela Microsoft para o Windows– No fundo é um conjunto de API’s

•Direct3D•DirectSound•DirectPlay•...


Sistemas Gráficos (Actualidade)

• A implantação do DirectX é crescente, apesar de alguns programadores acreditarem na superioridade técnica do OpenGL(ex: portabilidade entre sistemas operativos).

A partir da versão 9 do DirectX, o avanço tecnológico foi notório (PixelShader e VertexShader).

• OpenGL 2.0 (Outubro 2004) trouxe melhorias significativas (em jeito de resposta ao DirectX).

O Doom III foi baseado nesta última versão do OpenGL (daí o lançamento tardio).


Conceitos - Resolução

• É o número de pixéis usados para representar uma imagem.• Determina quer o nível de detalhe quer os requisitos de armazenamento.


Conceitos – Profundidade da CôrImagem monocromática a preto e branco:

– Cada pixel é armazenado num bit (o ou 1).– Uma imagem monocromática 640×480 ocupa 37.5 KB em memória

Imagem monocromática em tons de cinzento:– Cada pixel é armazenado num byte (0 a 255).– Uma imagem em tons de cinzentos 640×480 ocupa 300 KB em memória

Imagem a cores de 8-bits:– Cada pixel é armazenado num byte.– Suporta 256 cores, com qualidade de cor aceitável.– Uma imagem a cores de 8-bits com resolução 640×480 ocupa 300 KB em memória.

Imagem a cores de 24-bits:– Cada pixel é representado por três bytes (e.g., RGB).– Suporta 256×256×256 cores (16777216).– Uma imagem a cores de 24-bits com resolução 640×480 ocupa 900 KB em memória– Muitas imagens a cores de 24-bits são armazenadas como imagens de 32-bits, sendo

o byte suplementar usado para guardar um valor alpha que representa informação de efeitos especiais.


Arquitecturas Gráficas(1)

Dispositivos de VisualizaçãoEm comp. gráfica são fundamentais os dispositivos de visualização da imagem gerada. Estes dispositivos podem-se distinguir quanto ao tipo de representação–Representação vectorial–Representação matricial

Ou quanto ao tipo de tecnologia:–Monitores (CRT) - raios catódicos–Monitores LCD e Plasma–Traçadores gráficos (plotters)–Impressoras (matriciais, jacto de tinta, laser)





Representação Vectorial• Utilização de objectos geométricos

– Pontos, Polígonos, Planos, Curvas

• No formato vectorial, os objectos são definidos no domínio contínuo.

– Operações geométricas sem perda de precisão

– Recorrem a representações geométricas em vírgula flutuante

– Complexidade de processamento f ( nº vértices / vectores )



Representação Vectorial (cont.)– Requer hardware menos exigente– Ideal para representações geométricas



Representação Matricial ou raster• Representação por amostragem numa grelha regular• Permite a representação de objectos complexos como imagens• Cada elemento é designado de pixel (Picture Element) e representa de forma

directa ou indirecta (indexação) uma propriedade nesse ponto.• Propriedades:

– Cor, Intensidade de ressonância, Intensidade de reflexão (ultra-sons), …



Representação Matricial ou raster (cont)– A representação matricial é a mais comum (dada a sua

flexibilidade)– Utilizada nos mais diversos domínios– Complexidade de processamento = f ( nº de pixels )



Representação Matricial ou raster (cont)•Características associadas à representação discreta

– Dispositivos matriciais (requerem operações de rasterização)– Cor (RGB), Intensidade, Índice de Cor, Alfa– Interpolação Coordenadas X e Y (precisão limitada)

– Aliasing



Representação Matricial ou raster (cont)– Requer mais memória– Mais correcta para representações do

Mundo



Refrescamento da imagem– Mínimo de vezes necessário à persistência da imagem na

retina do ser humano (> 15 vezes por segundo – 15Hz)– Para simplificar a electrónica destes subsistemas é normal

usar-se o valor da corrente alterna (50Hz).

Representação Vectorial vs. Quadrícula– A Computação Gráfica tem como objecto a criação de

imagens em quadrícula.– O Processamento de Imagem tem como objecto a

manipulação de mapas de imagens (mapas de quadrículas) e a sua transformação em representações vectoriais.


TecnologiaOs componentes principais de um dispositivo gráfico são:

– Memória de Imagem (Frame buffer)• permite a representação da imagem em memória• A imagem a ser visualizada é armazenada como uma matriz de pixels (cada posição

na matriz contém a intensidade associada ao pixel correspondente na tela).• O tamanho da memória de exibição determina a resolução de cor e a resolução

geométrica da imagem.– Controlador de vídeo

• Transfere o conteúdo do frame buffer para o monitor.• Para gerar uma imagem os dados devem ser transferidos continuamente, de forma a

manter uma imagem estável na tela, reduzindo o efeito de flickering. Este processo designa-se por varrimento (raster scanning).

• Note-se que processo de transferência implica numa conversão digital-analógica– Monitor de visualização

• CRT• LCD


TecnologiaCRT• Cathode Ray Tube• Breve História

– 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT duma forma controlada.

– 1940, utilização em TV (televisores).– Até 2001, dominância no mercado de monitores.– Maior fabricante actual: Philips Electronics.

• Constituição:– 1 invólucro de vidro (semelhante a uma garrafa)– 1 cátodo (de carga negativa)– 3 canhões de electrões, um para cada côr fundamental

(RGB)– 1 anôdo (de carga positiva)– 1 tela com bolbos (ou pontos) de fósforos R (red), G (green),

e B (blue).


TecnologiaCRT – Pixel e Resolução• Pixel

– É um trio de 3 bolbos de fósforo, um por cada cor fundamental: R (red), G (green) e B (blue).

• Fósforo– Um fósforo é qualquer material que,

quandoexposto a radiação, emite luz visível.

• Resolução– VGA 640x480– SVGA 800x600– XGA 1024x768


TecnologiaCRT – Dot Pitch• Intervalo entre bolbos de fósforo.• É a distância entre dois pontos de

fósforo da mesma côr.• Esta distância varia normalmente

entre 0.22mm e 0.3mm.


TecnologiaCRT – Formação da ImagemVarrimento Progressivo (progressive scanning)

– Na figura ao lado, as linhas azuis indicam que o feixe de electrões (ou, melhor, 3 feixes de electrões) faz por estimulação dos fósforos, i.e. o feixe está ligado;

– As linhas interrompidas representam o retorno do feixe (desligado) ao lado esquerdo da tela; este movimento de retorno ou reposicionamento do canhão chama-se retraço horizontal;

– A linha verde indica o retraço vertical, o qual acontece no final da última linha da tela, com retorno do feixe (desligado) ao início da primeira linha.

Frame– Imagem formada pelo feixe de electrões durante o

varrimento completo da tela de fósforos.


TecnologiaCRT – Taxa de RefrescamentoTaxa de refrescamento:

– É o número de frames por segundo geradas no monitor.Hertz (Hz):

– Unidade de medida da taxa de refrescamento.Efeito de “flickering”:

– 75 Hz é a taxa de refrescamento miníma recomendável para um monitor CRT.– Evita-se assim o efeito de “flickering”.

Taxa de refrescamento máxima:– VSF = HSF / nº de linhas horizontal x 0.95 em que:– VSF = vertical scanning frequency (refresh rate)– HSF = horizontal scanning frequency

Exemplos para monitor com HSF = 96 Khz:– Para resolução = 1280x1024, VSF = 96000 / 1024 x 0.95 = 89 Hz – Para resolução = 1600x1200 tem-se VSF = 96000 / 1200 x 0.95 = 76 Hz


TecnologiaLCD - Pixel• Os cristais líquidos foram descobertos no final do séc. XIX pelo botânico Frieddrich Reinitzer.• Os cristais líquidos são substâncias quase transparentes que exibem propriedades quer da matéria

sólida quer da matéria líquida.• A passagem de luz através dos cristais líquidos provoca o alinhamento das suas moléculas - uma

propriedade dos sólidos.• Em 1960, descobriu-se que a carga eléctrica mudava o seu alinhamento molecular, e consequentemente

a forma como a luz passava através dos cristais - uma propriedade dos líquidos.• LCD é uma tecnologia transmissiva. Um LCD funciona pela variação de quantidades de luz branca de

intensidade fixa através dum filtro.• Os elementos RGB dum pixel são obtidos pela filtragem da luz branca.• Os cristais líquidos são normalmente compostos orgânicos que consistem de moléculas semelhantes

aos cones do olho humano. Portanto, os cristais líquidos funcionam como sensores de cor quando são estimulados pela luz.


Tecnologia LCD - Monitor de matriz passiva (DSTN)• Há 2 tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz

passiva (DSTN) e matriz activa (TFT).• Os LCDs de matriz passiva compreende um conjunto de

camadas. Tem 2 camadas de vidro chamadas substractos.• A cada substracto liga-se um conjunto de eléctrodos

transparentes constituídos por material condutor, que énormalmente o indium-tin oxide.

• Os eléctrodos dum substracto são perpendiculares aos eléctrodos do outro substrato. Há, pois, eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna. As linhas e as colunas estão ligadas a circuitos integrados que controlam quando uma carga a uma columa e uma linha particulares.

• Os cristais líquidos estão ensaduichados entre os dois substractos.

• A activação dum pixel (que está localizado na intersecção duma coluna com uma linha) é feita pela aplicação duma voltagem por parte do circuito integrado associado à coluna respectiva.


Tecnologia LCD - Monitor de matriz activa (TFT)• Os LCDs de matriz activa dependem basicamente dos

thin film transistors (TFT).• Os TFT são transistores (comutadores) e

condensadores minúsculos. Estão dispostos matricialmente num substracto de vidro - um transistorpor cada cor (RGB) de cada pixel.

• O endereçamento dum pixel é feito por activação da sua linha, após o que se aplica uma carga à sua coluna. Tendo em conta que todas as outras linhas estão desactivadas, só o condensador daquele pixel recebe a carga, que a mantém até ao próximo ciclo de refrescamento.

• Os TFTs controlam a intensidade dos elementos de cor de cada pixel.

• O tempo de resposta é de 25ms para a matriz activação passo que é de 300ms.


Tecnologia Arquitectura(1)

Simples (sem processador gráfico)– Neste caso o controlador de vídeo encarrega-se de transferir os

dados disponíveis na zona de memória que contém a imagem (frame buffer) para o monitor.

– No entanto é da responsabilidade do CPU o controlo dessa transferência.



Com processador gráfico– Neste caso existe um coprocessador dedicado, permitindo

libertar o CPU destas tarefas.



Processador gráfico– Hardware especializado– Usa normalmente memória separada da usada pelo sistema– Uso de paralelismo para atingir alto desempenho– Permite libertar o CPU das tarefas de visualização incluindo

• Transformações• Rotação, translação, escala, etc• Recorte (clipping)• Projecção (3D�2D)• Mapeamento de texturas• Rasterização• Amostragem de curvas e superfícies paramétricas



Dado o aumento da capacidade/ velocidade dos computadores, as placas de vídeo (processador gráfico) estão cada vez a substituir as funções gráficas dos programas, isto é, implementar directamente estas funções no hardware ou no software da própria placa.

Década de 70Apenas funcionalidades disponíveis para pontos e linhasDécada de 80Funcionalidades associadas a cor e preenchimento de área.Década de 90 Surgem as placas gráficas 3D, capazes de operar directamente com coordenadas tridimensionais. São ainda incorporadas funcionalidades de restituição da imagem e mapeamento de texturas (à custa de um aumento significativo de memória).

Documents

Introdução à Computação Gráfica - sites.google.com · – hardware/software ... (visão computacional) 7 Departamento de Matemática Escola Superior de Tecnologia e Administração