Computação Gráfica e Processamento de Imagens

Transcrição

1 Computação Gráfica e Processamento de Imagens Prof. Dr. Julio Arakaki (jarakaki@pucsp.br) PUC-SP 1

2 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? Computação Gráfica criação, manipulação e armazenamento de modelos e imagens 2

3 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? O termo Computação Gráfica, foi utilizado por William Fetter da empresa Boeing em Tudo que está relacionado com a representação visual no computador, incluindo: Interfaces Gráficas - GUI ( Graphics User Interface ) Imagens e processamento no computador 3D (efeitos especiais, jogos, animação, ) Visualização científica Algoritmos, teorias (física, matemática, computação, ) Dispositivos gráficos, hardware (placas gráficas, monitores, ) 3

4 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? Objetos físicos, reais Relacionada com a criação, armazenamento e manipulação de modelos e imagens, onde: Modelos (Matemático, ) Análise de Imagem (reconhecimento de pattern. Visão computacional) Síntese de Imagem (Renderização, visualização) Imagens Modelagem (geométrica) Processamento de Imagem 4

5 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? Os modelos são provenientes de vários campos, incluindo a física, matemática, artístico, biológico, entre outras. 5

6 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? - Síntese de imagens: envolve técnicas destinadas a criação e manipulação de imagens a partir de modelos matemáticos e geométricos - Análise de imagens: é o processo inverso da síntese. Neste caso a imagem existe e de alguma forma é passada ao computador através de equipamentos como mesas digitalizadoras, câmeras, scanner. Ex: extração de características para visão robótica. - Processamento de imagens: uma imagem capturada conterá ruídos ( noise ). Algoritmos de processamento de imagens (filtros) para melhorar as características visuais da imagem, como aumentar o contraste, foco, reduzir ruídos e distorções. 6

7 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? 7

8 O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens? Processamento de imagens Análise de imagens 8

9 O que é Computação Gráfica Interativa? O usuário controla o conteúdo, a estrutura e a aparência dos objetos apresentados, através de uma realimentação ( feedback ) visual. Usuário feedback Tela entrada imagem Aplicação 9

10 O que é Computação Gráfica Interativa? Os componentes básicos de um sistema gráfico interativo são: entrada ( mouse, tablet, light-pen, scanner, ), processamento, armazenamento e visualização/saída (tela, impressora, plotter, ) Primeiro sistema gráfico verdadeiramente interativo, foi implementado por Ivan Sutherland em 1963 (tese de PhD.) Utilizava um monitor tipo CRT, light-pen e painel com teclado de funções) 10

11 Onde trabalhar com CG e PI? Get a Job working for PIXAR Design Operating Systems Get a Job working for George Lucas at Industrial Light and Magic. Applications Programming Program and Design Computer Games 11

12 Quem trabalha com CG e PI Usuários de programas/aplicativos usam para produzir desenhos e imagens Customizadores adaptam programas existentes Desenvolvedores/Programadores de aplicações específicas desenvolvem Reconhecedor de Digitais, Editor de Circuito Integrado, AutoCAD, Corel,... Desenvolvedores de ferramentas desenvolvem Java 3D, OpenGL, DirectX,... 12

13 Aplicações Outras... Computação Gráfica Física Matemática Medicina Psicologia Arte: Efeitos especiais, modelagens criativas, esculturas e pinturas. Medicina: Exames, diagnósticos, estudo, planejamento de procedimentos. Arquitetura: Perspectivas, projetos de interiores e paisagismo. Engenharia: Em todas as suas áreas (mecânica, civil, aeronáutica, etc.) Geografia: Cartografia, GIS, georreferenciamento, previsão de colheitas. Meteorologia: Previsão do tempo, reconhecimento de poluição. Astronomia: Tratamento de imagens, modelagem de superfícies. Marketing: Efeitos especiais, tratamento de imagens, projetos de criação. Segurança Pública: Definição de estratégias, treinamento, reconhecimento. Eng. Eletrônica Artes Indústria: Treinamento, controle de qualidade, projetos Turismo: Visitas virtuais, mapas, divulgação e reservas. Moda: Padronagem, estamparias, criação, modelagens, gradeamentos. Lazer: Jogos, efeitos em filmes, desenhos animados, propaganda. Processamento de Dados: Interface, projeto de sistemas, mineração de dados. Psicologia: Terapias de fobia e dor, reabilitação. Educação: Aprendizado, desenvolvimento motor, reabilitação. 13

14 Interdisciplinar Teoria e Prática Algoritmos e Estrutura de Dados Matemática Matemática de curvas e superfícies, geometria Física Ótica, mecânica, Física da luz e cores Engenharia Hardware (processadores gráficos, dispositivos de I/O) e Software (bibliotecas gráficas, sistemas de janelamento ( window systems ) e engenharia de software ) Projeto de estruturas (Eng. Civil e Eng. Mecãnica/Mecatrônica) Psicologia Cores: harmonia e percepção Artes e Design 14

15 Uma breve história No início, dificuldades inclusive para visualização de textos Manchester Mark I Display 15

16 Uma breve história CRT (Cathode Ray Tube) J.L. Baird inventa a televisão (30 linhas verticais) 16

17 Uma breve história computador com CRT (MIT) doutorado de Ivan Sutherland - Sketchpad Estrutura de dados e técnicas interativas Lightpen Estruturas em memória para armazenar objetos rubber-banding zoom in, zoom out PDP-1 (DEC) ~ GM desenvolveu o CAD ( Computer Aided Design ) e CAM ( Computer Aided Manufacturing ) 17

18 Uma breve história 1962 Steve Russel Space War Primeiro jogo para computador multiplayer Teclas: a,s,d,f, k, l,... controla as naves 1963 IBM cria o primeiro mainframe (modelo 360) de propósito geral SRI desenvolve o mouse 18

19 Uma breve história 1966 Ralph Baer cria o primeiro produto de consumo baseado em C.G. 19

20 Uma breve história 1967 GE implementa o primeiro simulador ( real time ) totalmente colorido para a NASA ~1968 Tektronix tubos ~1970 Boeing CAD/CAM ~1970 workstations e PCs surgiram separadamente 20

21 1972 Atari (PONG) Uma breve história 21

22 Uma breve história Westworld (1973) Primeiro filme com características de Computação Gráfica 22

23 Uma breve história 1974 Intel desenvolve o processador Mandelbrot cria os fractais Bill Gates inicia a Microsoft 23

24 Uma breve história 1976 Steve Jobs e Steve Wozniac funda a Apple 1977 Categoria de efeitos especiais é introduzido no Oscar 1977 Star Wars vence o Oscar 24

25 Uma breve história Tron da Disney foi o primeiro filme com 20 minutos de animação feito por computador 25

26 Uma breve história 1980 Seagate cria tecnologia de HDs para PCs 1981 IBM cria o IBM PC (8088 de 16 bits) 1982 Startrek II os efeitos visuais foram feitos totamente no computador 26

27 Uma breve história PIXAR 27

28 Uma breve história 1985 animação realística por computador (modelos altamente detalhados) 1990 Windows 3.0, decola 1993 Myst 1994 Playstation e N64 28

29 Uma breve história 1995 Toy Story, primeiro desenho animado 3D, totalmente no computador Independence Day 1997 Geri s Game (Pixar) 29

30 Uma breve história 1998 Armageddon, Mouse Hunt e Bugs Life 1998 Matrix, Star Wars: The Phantom Menace e Tarzan (Disney) 30

31 Uma breve história 2000 PlayStation II (Sony), Shrek (Disney), Walking with Dinosaurs 2002 Xbox (Microsoft)... PS3, WII, TV Digital, HDMI, BlueRay, IPhone, IPad, Cinema 3D, TV 3D... 31

32 História ferramentas (bibliotecas/so) 1978-core 1985-GKS 1988-PHIGS 1990-PEX 1991-GL 1993-OpenGL 1996-Direct 3D 1984-Macintosh 1987-XWindow v Motif 1990-Windows Visual Basic v Delphi 1996-Java 32

33 História - Sistemas notáveis Tektronix comandos em BASIC (meados-1970) HP (Hewlett Packard) Microsoft BASIC (para PCs) comandos gráficos (aprox. 1980) QuickDraw (Apple Macintosh) X (MIT) OpenGL (Silicon Graphics) SRGP (Simple Raster Graphics Package) SPHIGS (Simple PHIGS) MS Windows Java AWT 33

34 Evolução da Computação Gráfica Inicialmente, o desenvolvimento da Computação gráfica foi lenta: Alto custo dos equipamentos (principalmente memória) Necessidades de recursos computacionais significantes Dificuldade para desenvolvimento de software Falta de padronização e portabilidade Falta de ferramentas para construção de software 34

35 Evolução da Computação Gráfica Atualmente: O custo dos equipamentos diminuiu bastante Maioria dos computadores tem recursos necessários para os gráficos Surgimento de padronizações, implementações e ferramentas Permanece a carência no desenvolvimento de software em relação ao desenvolvimento tecnológico dos equipamentos ( hardware ) 35

36 Associações/Comitês profissionais ACM SIGGRAPH - Association for Computing Machinery Special Interest Group in Graphics IEEE - The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Technical Committee on Computer Graphics 36

37 Padronizações ANSI = American National Standard Institute ISO = International Standards Organization Padrões gráficos oficiais ANSI é um membro da ISO 1977 and D SIGGRAPH CORE (ACM SIGGRAPH) GKS (Graphical Kernel Systems) ANSI X GKS-3D (ISO 8805 and ANSI) PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) ANSI 199x - OpenGL 37

38 Tecnologia em Circuitos Integrados (graphics cards) Novas plataformas de games, utilizam processadores de alta performance (128-bit e grande capacidade gráfica) SGI/Nintendo 64 Sega Dreamcast Sony Playstation 2 3Dfx Voodoo3 nvidia GeForce (23 milhões de transistores) PixelFusion FUZION 38

39 Requisitos para bons sistemas Gráficos Habilidade para controlar os pontos (pixels) do display Habilidade para controlar as formas primitivas na tela Uso de cores, luzes e sombras Construção de bibliotecas ( library ) ou pacotes ( packages ) para extender linguagens Conhecimento de hardware Transformação e representação matemática 39

40 Requisitos para bons sistemas Gráficos Habilidade para armazenar blocos de informações Computadores de alta performance Algoritmos gráficos Entendimento e manipulação de estrutura de dados Bons princípios de engenharia de software Fatores humanos Alguns prinçípios artísticos E muito esforço 40

41 História - Exemplos SketchPad: primeiro sistema gráfico interativo (1961) DAC: primeiro sistema CAD (IBM 1959) SpaceWars: primeiro game baseado em Computação Gráfica (MIT 1961) Imagem texturizada (Catmull 1974) 41

42 História - Exemplos (Blinn 1978) (Whitted 1980) (Cook 1984) 42

43 História - Exemplos Star Wars (1977): utilizando GRASS 43

44 História - Exemplos Tron (1980) Computação Gráfica utilizada pela primeira vez para definir sequências de ações. 44

45 História - Exemplos Starfighter (1982) Star trek II: efeito genesis (1983) 45

46 Referência Bibliográfica Computer Graphics C version, Donald Hearn e M. Pauline Baker. 2a edição. Prentice Hall D Computer Graphics, Alan Watt. 3a edição. Addison Wesley Diversos (livros, artigos de revistas, internet) 46