2. Dispositivos de Visualização

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1 2. Dispositivos de Visualização Antonio L. Bajuelos Departamento de Matemática Universidade de Aveiro 1 Resolução Gráfica? Virtualmente todos os dispositivos de I/O gráficos usam uma malha rectangular de posições endereçáveis (rectângulo de visualização). Def. A resolução gráfica de um dispositivo é o número de posições (ou pontos, ou pixels) horizontais e verticais que ele pode distinguir.? Existem 4 parâmetros que definem a resolução? ndh - o número de posições endereçáveis horizontalmente? ndv - o número de posições endereçáveis verticalmente? width - a largura do rectângulo de visualização em mm? height - a altura do rectângulo de visualização em mm 2 1

2 Resolução Gráfica (continuação)? A partir desses 4 parâmetros (ndh, ndv, width e height), vários números interessantes podem ser calculados:? densidade horizontal:horiz_den:= ndh/width? tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size: size:= width/ndh? densidade vertical: vert_den:= ndv/height? tamanho ponto vertical: vert_dot_size:= height/ndv? total pontos endereçáveis: total_nr_dots:= ndh*ndv? resolução de área: area_res:= total_nr_dots/(width*height)? razão de aspecto gráfica: aspect_ratio:= vert_dot_size/horiz_dot_size? razão de aspecto física: physical_aspect_ratio:= height/width? Notas: O ideal seria ter um aspect ratio igual ou próximo de 1. 3 Sistemas de Coordenadas? É necessário definir sistemas de coordenadas para quantificar os dados? Os pixels são endereçados por dois números inteiros que dão suas coordenadas horizontal e vertical, dcx, e dcy, respectivamente, onde: 0 dcx ndh1 = ndh 1, 0 dcy ndv1 = ndv 1? O pixel endereçado como (0,0) está geralmente no canto inferior esquerdo do rectângulo de visualização. As coordenadas (dcx,dcy) são chamadas de coordenadas do dispositivo, e podem assumir apenas valores inteiros.? As coordenadas do dispositivo podem variar bastante para diferentes equipamentos, o que levou à utilização de coordenadas normalizadas do dispositivo (NDC - Normalized Device Coordinates), para efeito de padronização (ndcx,ndcy).? As NDCs são variáveis reais, geralmente definidas no intervalo: 0 ndcx 1, 0 ndcy 1? A coordenada NDC (0,0) corresponde à origem (0,0) nas coordenadas do dispositivo, e a coordenada NDC (1,1) refere-se ao pixel no canto superior direito, que corresponde ao pixel (ndh1,ndv1) nas coordenadas do dispositivo. 4 2

3 Sistemas de Coordenadas (cont.)? A vantagem da utilização de NDCs é que padrões gráficos podem ser discutidos usando um sistema de coordenadas independente de dispositivos gráficos específicos.? Os dados gráficos precisam ser transformados do sistema de coordenadas independente para o sistema de coordenadas do dispositivo no momento de visualização.? O mapeamento de NDCs (reais) para coordenadas do dispositivo (inteiros) é "linear", por exemplo: dcx = round (ndcx * ndh1), dcy = round (ndcy * ndv1)? Um sistema muito útil é o sistema de coordenadas do mundo, ou sistema de coordenadas do usuário, que consiste de coordenadas cartesianas (x,y), num intervalo qualquer definido pelo usuário: xmin x xmax, ymin y ymax? A transformação de coordenadas do usuário (x,y) para NDCs (ndcx,ndcy), denominada transformação de visualização, é dada por: ndcx = (x xmin) / (xmax xmin), ndcy = (y ymin) / (ymax ymin) 5 Formato de Dados Gráfico? Existem dois formatos básicos para a representação e o armazenamento de dados gráficos no computador:? o formato vectorial,? o formato matricial? O formato vectorial é utilizado para descrever a estrutura geométrica dos objectos gráficos.? O formato matricial está frequentemente associado à imagem digital. 6 3

4 Formato de Dados Gráfico (cont )? Formato Vectorial? Os dados são representados por unidades básicas de informação, descritas por coordenadas em um espaço vectorial.? Os elementos são associados a posições ou a vectores deste espaço.? relativamente às posições podem ser utilizados na especificação dos pontos iniciais e finais de segmentos de recta, vértices de polígonos e malhas de controlo de curvas e superfícies paramétricas? relativamente a vectores podem especificar forças, direcções ou orientações.? A dimensão do espaço vectorial determina o número de coordenadas de seus elementos básicos.? As coordenadas do espaço podem ser representadas por números reais ou inteiros, respectivamente. 7 Formato de Dados Gráfico (cont )? Formato Matricial? Uma imagem matricial é uma matriz M x N onde cada elemento da matriz é um elemento de um espaço vectorial V.? O caso mais comum é quando V é um espaço de cor.? Chama-se resolução da imagem à ordem M x N da matriz.? Define-se imagem volumétrica tomando matrizes de ordem M x N x P, onde cada entrada também é um elemento do espaço de cor.? Cada elemento da matriz é chamado de pixel. 8 4

5 Formato de Dados Gráfico (cont )? Conversão entre Formatos? A conversão entre formatos é desejável e muitas vezes necessária.? Rasterização transformação de dados do formato vectorial para o matricial.? Segmentação transformação de dados do formato matricial para o formato vectorial. Essa conversão em alguns casos, não é bem definida, sendo impossível de ser realizada. 9? Classificação? Toda imagem criada através de recursos computacionais deve ser representada em algum dispositivo físico que permita a sua visualização.? É possível classificar os dispositivos de visualização em duas principais categorias, segundo a forma pela qual as imagens são geradas:? dispositivos vectoriais - conseguem traçar segmentos de recta perfeitos entre dois pontos da malha finita de pontos definida id por suas superfícies de exibição? dispositivos matriciais - apenas conseguem traçar pontos, também em uma malha finita. Assim, segmentos de recta são traçados como sequências de pontos próximos. 10 5

6 ? A evolução dos equipamentos gráficos reflecte o desenvolvimento da CG.? Inicialmente havia uma grande preocupação com a modelagem geométrica? dispositivos vectoriais? Depois, com a ênfase na síntese de imagens? dispositivos matriciais? Actualmente? soluções integradas i.e. que combinem a utilização dos dois tipos de dispositivos? De modo geral:? Dispositivos do tipo matricial estão relacionados com a exibição e o processamento de imagens.? Dispositivos do tipo vectorial estão vinculados a especificação e manipulação dos modelos geométricos. 11? Os dispositivos do tipo matricial necessitam do uso de muita memória para armazenar a imagem.? Os dispositivosi i do tipo matricial i foram impulsionados i na década de 80 por dois factores:? A queda do preço da memória,? A revolução nas comunicações que a televisão provocou.? Os avanços recentes nas áreas de supercomputação p e de computação paralela têm tido um impacto significativo nos dispositivos de processamento gráfico. 12 6

7 ? Em relação ao critério funcional, dividem-se os dispositivos gráficos em:? Dispositivos de entrada? Dispositivos de processamento? Dispositivos de saída 13?Dispositivos de Entrada Gráfica (DEG)? São dispositivos de captação de informação gráfica.? Do ponto de vista do formato da imagem estes dispositivos podem ser classificados como vectoriais e matriciais? Os DEG vectorial são em sua maioria utilizados como componentes de estações interactivas. Exemplo: mouse? Os DEG matricial são tradicionalmente utilizados de modo não interactivo devido, principalmente, ao grande volume de dados que devem ser manipulados. Exemplo: scanner 14 7

8 ? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV) Com sistemas de coordenadas absolutos? Light pen? Dispositivo bidimendional que funciona acoplado a um terminal de vídeo.? É composto por uma caneta com uma foto-célula na ponta ligada ao circuito de vídeo do terminal.? Actualmente em desuso devido a alguns problemas técnicos apresentados.? Touch pannel? Dispositivo bidimensional que deve ser integrado a um terminal de vídeo.? Consiste em uma tela transparente, sensível ao toque, que é sobreposta à tela do terminal.? Apresenta severas limitações em termos de resolução pelo que é indicado apenas para a selecção de objectos gráficos apresentados na tela.? Tablet (messa digitalizadora)? consiste em uma base plana e um instrumento indicador em forma de caneta ou bloco? A tablet em geral é um dispositivo bidimensional.? Em alguns dispositivos é possível especificar a pressão exercida na ponta da caneta e também a sua direcção.? Existe o 3d digitizer que permite digitalizar directamente pontos na superfície de um objecto tridimensional. 15? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV) Com sistemas de coordenadas absolutos? Light pen Touch pannel? Tablet (messa digitalizadora) 16 8

9 ? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV) Com sistemas de coordenadas relativos? Mouse -? É um dos dispositivos de entrada gráfica mais comuns actualmente.? Consiste em um pequeno bloco com botões de pressão, que se comunica com o computador.? Trackball -? É constituída por uma esfera que gira livremente numa base.? Os movimentos de rotação em relação aos dois eixos ortogonais são transformados em informação de posição de maneira semelhante à do mouse.? Joystick -? É formado por uma haste conectada a uma base.? O movimento da haste é transformado em um vector de velocidade que controla a variação dos dados posicionais.? É utilizado com frequência como interface de entrada dos videogames. 17? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? A estrutura dos dispositivos de entrada do tipo matricial consiste em um sensor que capta sinais no espaço ambiente e um circuito digitalizador que converte esses sinais analógicos para um formato matricial? O processo de conversão de uma imagem para uma imagem digital é conhecido como digitalização.? Os DEM são, em sua maioria, destinados à digitalização de imagens.? Dependendo do meio no qual se encontra a imagem a ser digitalizada tem-se o frame grabber, o scanner, o film scanner e o depth scanner 18 9

10 ? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? Frame grabber? Faz a digitalização a partir de um sinal analógico de vídeo.? O sinal de vídeo pode ser gerado directamente por uma câmara ou por um dispositivo de reprodução de vídeo.? A resolução da imagem digitalizada é a resolução de vídeo e que é aproximadamente de 512 x 512 pixels.? Os dispositivos mais sofisticados digitalizam com uma resolução de cor de 24 bits. 19? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? Scanner? Digitaliza a partir de imagens em papel.? A imagem é colocada sobre uma superfície transparente, em geral plana ou cilíndrica.? O elemento de digitalização se compõe de uma fonte de luz e de um sensor que mede a luz reflectida linha por linha, em sincronismo com o deslocamento da imagem

11 ? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? Film Scanner? Digitaliza a partir de imagens em transparências utilizando o laser para maior resolução? Um feixe de luz precisamente colimado é dirigido ao filme e a quantidade de luz transmitida é medida por uma célula fotoeléctrica.? Este dispositivo pode atingir uma resolução superior a 2000 pontos por polegada. 21? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? Deph Scanner? Captura informação de uma cena tridimensional, produzindo uma matriz de coordenadas com a profundidade de cada ponto da cena.? A estrutura dessa matriz depende do processo de varrimento utilizado (plano o cilíndrico)

12 ? Dispositivos de Processamento Gráfico (DPG)? Os DPG são computadores com uma arquitectura especial, orientada para a manipulação e processamento de dados gráficos? Tipos de DPG? Dispositivos de Processamento Vectorial -? Se destinam principalmente ao processamento de modelos geométricos.? Actuam sobre as coordenadas das diversas componentes dos modelos (segmento de recta, polígonos, etc.)? Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:? SISD (uniprocessadores) single-instruction, single data stream? MISD (multiprocessadores) multiple-instruction, single data stream? Dispositivos de Processamento Matricial? São equipamentos multi-processadores utilizados para o processamento de imagens, para a rasterização e outros algoritmos gráficos paralelizáveis? Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:? SIMD (uniprocessadores) single-instruction, multiple data stream? MIMD (multiprocessadores) multiple-instruction, multiple data stream 23? Dispositivos de Saída Gráfica (DSG)? Os DSG são equipamentos que permitem a visualização de dados gráficos.? Podem ser divididos em vectoriais ou matriciais, de acordo com o o tipo de gráfico por eles manipulado.? Os dispositivos de exibição de vídeo são, sem dúvidas alguma, os mais importantes e mais comuns.? Um dispositivo de exibição de vídeo é constituído por quatro elementos:? Um monitor de vídeo (CRT);? Um controlador de vídeo;? Uma memória de exibição (frame buffer);? Conversor digital analógico

13 ? O CRT de varrimento raster? Um CRT consiste basicamente de uma superfície de exibição, quase plana, recoberta internamente de material à base de fósforo, um canhão emissor de electrões e um sistema de deflexão? O canhão emite um fino feixe de electrões que, acelerados, chocam contra a superfície fosforescente da tela. Sob a acção dos electrões, o material fosforescente incandesce, emitindo luz no ponto da tela atingido pelo feixe. A função do sistema de deflexão (bobina de desvio) é dirigir de forma controlada o feixe de electrões para um determinado ponto da ecrã. 25? O CRT de varrimento raster Histórico:? 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT? 1940, utilização em TV (televisores).? Até 2001, dominância no mercado de monitores.? Maior fabricante actual: Philips Electronics

14 ? O CRT de varrimento raster? O funcionamento básico de qualquer monitor de vídeo é bastante similar ao funcionamento de um monitor de televisão.? O espaço de cor do monitor de vídeo depende do número de camadas de fósforo em cada ponto.? Os monitores monocromáticos (bitmapped) utilizam uma única camada de fósforo que é sensibilizado com voltagem mínima ou máxima? Os monitores que permitem a exibição de tons cinza (gray scale) utilizam uma única camada de um fósforo cuja sensibilidade produz uma radiação com s luminância proporcional à voltagem aplicada ao feixe de electrons do canhão. 27? O CRT de varrimento raster (continuação)? Em CRT convencionais a bobina de desvio está ligada a um sweep ou gerador de varrimento? O término raster é um sinónimo do termo matriz. Um CRT de varrimento raster varre, com um feixe de electrões, todos os elementos de uma matriz.? A frequência de varrimento está relacionada com a frequência da linha de tensão local.? Ex. na Europa é usada uma tensão de 50 ciclos (50 vezes/segundo)

15 ? O CRT de varrimento raster (continuação)? Cada vez que o feixe de electrões completa um ciclo de raster ou varre todas as linhas, diz-se que o CRT foi refrescado.? Importante: A persistência do fósforo usado e a frequência de refrescamento devem ser semelhantes? Se a imagem sendo mostrada é composta por muitos vectores, vai haver um atraso significativo entre o traçado do primeiro e do último vector, e alguns do vectores traçados inicialmente podem desaparecer nesse período.? O resultado é que o tubo não consegue reproduzir a imagem de modo suficientemente i t rápido para evitar que um efeito de flickering (cintilação) torne-se aparente na ecrã.? Nota: poucas pessoas podem distinguir variações visuais que durem menos de 1/30 segundos 29? O CRT de varrimento raster (continuação)? Taxa 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 30 15

16 ? O CRT de varrimento raster (continuação)? O feixe de electrões varre a tela muitas vezes por segundo, de acordo com uma trajectória fixa (ver Fig).? O feixe movimenta-se da esquerda para a direita, na horizontal. Ao final de uma varredura horizontal, o feixe (com intensidade anulada) é reposicionado no início da linha imediatamente abaixo, para nova varredura.? Na tecnologia de varrimento, todos os pontos que compõem uma imagem precisam ser armazenados. Consequentemente, gráficos de varredura requerem muito mais memória. 31? O CRT de varrimento raster (continuação)? Num monitor policromático, cada pixel da ecrã é recoberto por três tipos de fósforo, que produzem as cores vermelho, verde e azul (Red, Green, Blue - RGB).? Ao invés de um único feixe de electrões existem três, cada qual associado a uma cor de fósforo.? Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes de electrões, está uma barreira de metal, denominada shadow mask ou metal mask (ver Fig), que, por meio de buracos em posições estratégicas, garante que cada feixe atinge apenas o fósforo ao qual está associado.? Variando a intensidade de cada feixe, varia-se a intensidade do brilho de cada fósforo, obtendo-se cores diferentes

17 ? O CRT de varrimento raster (continuação)? Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes de electrões, está uma barreira de metal, denominada shadow mask ou metal mask (ver Fig), que, por meio de buracos em posições estratégicas, garante que cada feixe atinge apenas o fósforo ao qual está associado. 33? O CRT de varrimento raster (continuação)? Assim como nos monitores policromáticos o feixe de electrões está associado a um conjunto de bits na frame memory que determina a intensidade dos fósforos vermelho, verde e azul.? Exemplo:? Se existem três bits de memória por pixel), pode-se obter oito cores distintas, conforme mostrado na Tabela.? O número de bits associado a cada pixel é denominado pixel depth (bit planes), ou "profundidade" do pixel. R G B Color Preto Azul Verde Turquesa Vermelho Magenta Amarelo Branco 34 17

18 ? Monitores LCD (liquid crystal display)? Os cristais líquidos foram descobertos no final do séc. XIX pelo botânico Frieddrich Reinitzer.? Os cristais líquidos são substâncias quase transparentes que exibem propriedades d 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 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 35? Monitores LCD (liquid crystal display)? Há 2 tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz passiva (DSTN) e matriz activa (TFT).? Os LCDs de matriz passiva tem 2 camadas de vidro chamadas substractos.? Os eléctrodos dum substracto são perpendiculares aos eléctrodos do outro substrato. Há, pois, eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna.? 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

19 ? Monitores LCD (liquid crystal display)? 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 transistor por 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.? Os TFTs controlam a intensidade dos elementos de cor de cada pixel.? O tempo de resposta é de 25ms para a matriz activa. 37? Ecrãs de cristal líquido (LCD) (cont ) 38 19

20 ? Outros dispositivos de saída? Traçadores (plotters)? São dispositivos electromecânicos que produzem o desenho pelo movimento de uma caneta sobre a superfície do papel.? A primitiva gráfica básica nesse tipo de dispositivo é o segmento de recta. Arcos, curvas e caracteres são produzidos pelo traçado de uma série de pequenos segmentos.? Nos traçadores de mesa, o papel é fixado sobre uma superfície plana rectangular, sobre a qual está localizado um braço mecânico que movimenta-se por translação.? Nos traçadores de rolo, o braço é fixo, e o papel é movimentado para frente e para trás por acção de um rolo, como em uma máquina de escrever.? Embora distintos em construção, estes dois tipos de traçadores possuem características de programação e controle similares.? O traçador é em geral controlado por um processador dedicado que recebe instruções directamente do computador ou de um arquivo que descreve o desenho. 39? Outros dispositivos de saída? Traçadores (plotters) 40 20