Computação Gráfica em. Luiz Eduardo Borges

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1 Computação Gráfica em Luiz Eduardo Borges

2 Sumário Computação gráfica Imagens em 2D Processamento de imagens Modelagem 3D Animação Foto alterada com o filtro Cubism do GIMP.

3 Computação gráfica Definições: Área da ciência da computação que estuda a geração e manipulação de conteúdo visual. Tecnologias associadas a criação e manipulação de imagens digitais. Representação e manipulação de dados visuais usando computadores. Cena 3D renderizada no Blender.

4 Imagens em 2D (raster) A imagem é composta por pixels (picture elements), com uma cor associada. RGB = (102, 153, 102) Imagem RGB = (102, 153, 204) RGB = (102, 153, 153) Geralmente, as cores dos pixels são representadas em RGB (Red, Blue, Green). RGB = (51, 102, 153)

5 Processamento de imagem Imagem original em um formato raster (mapa de bits). Algoritmos Imagem processada (filtro GIMPressionist / Mossy, do GIMP).

6 PIL (Python Imaging Library) Implementa: Ferramentas para cortar, redimensionar e mesclar imagens. Algoritmos de conversão. Filtros, tais como suavizar e detectar bordas. Ajustes, incluindo brilho e contraste. Operações com paletas de cores. Desenhos simples em 2D. Rotinas para tratamento de imagens: equalizar, deformar, inverter e outras.

7 PIL (exemplo A-I) import Image from ImageFilter import * fn = 'for.png' im = Image.open(fn) for i, filter in enumerate((contour, EMBOSS, FIND_EDGES)): fl = im.filter(filter) fl.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) fl.save(fn.replace('.png', '%d.png' % i), 'PNG') pn = im.point(lambda i: i * 3) pn.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) pn.save(fn.replace('.png', '%d.png' % (i + 1)), 'PNG') O módulo Image define uma classe para tratar imagens com vários métodos para modificar suas características. O módulo ImageFilter provê filtros mais comuns para o processamento de imagens.

8 PIL (exemplo A-II) import Image from ImageFilter import * A função open() cria objetos da classe Image a partir de arquivos. Vários formatos são suportados. fn = 'for.png' im = Image.open(fn) for i, filter in enumerate((contour, EMBOSS, FIND_EDGES)): fl = im.filter(filter) fl.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) fl.save(fn.replace('.png', '%d.png' % i), 'PNG') Os filtros CONTOUR, EMBOSS e FIND_EDGES são alguns que estão disponíveis em ImageFilter. O método filter() aplica o filtro especificado na imagem. pn = im.point(lambda i: i * 3) pn.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) pn.save(fn.replace('.png', '%d.png' % (i + 1)), 'PNG')

9 PIL (exemplo A-III) import Image from ImageFilter import * O método thumbnail() redimenciona a imagem. Com antialias, a imagem resultante fica mais suave. fn = 'for.png' im = Image.open(fn) for i, filter in enumerate((contour, EMBOSS, FIND_EDGES)): fl = im.filter(filter) fl.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) fl.save(fn.replace('.png', '%d.png' % i), 'PNG') O método save() grava a imagem em arquivo no formato especificado. O método point() aplica uma função a cada ponto da imagem. pn = im.point(lambda i: i * 3) pn.thumbnail((512, 512), Image.ANTIALIAS) pn.save(fn.replace('.png', '%d.png' % (i + 1)), 'PNG')

10 PIL (exemplo A-IV) Arquivos de saída CONTOUR EMBOSS FIND_EDGES lamdba i: i *3 for0.png for1.png for2.png for3.png

11 Imagens em 2D (vetorial) A imagem é gerada a partir de instruções que descrevem os objetos. As instruções são primitivas geométricas, tais como linha, ponto, círculo e outros. Arquivo SVG gerado no Inkscape.

12 Pylab / Matplotlib Implementa: Pylab: API destinada ao uso interativo. Matplotib: API orientada a objetos. Vários gráficos 2D mais usados: linhas, barras, pizza, dispersão e outros. Suporte a gráficos 3D (limitado). Vários backends, que permitem exportar para vários formatos populares.

13 Pylab / Matplotlib (exemplo B-I) from pylab import * ent = arange(0., 20.1,.1) subplot(311) sai = cos(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.25,.5)) ylabel('a') subplot(312) sai = sin(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.5,.25)) ylabel('b') subplot(313) sai = cos(ent) * sin(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.5,.5)) xlabel('entrada') ylabel('a x B') savefig('graf.png', dpi=100) A função subplot() divide e seleciona um pedaço da área da figura (311 => 3 linhas, 1 coluna, na primeira posição). A função plot() desenha uma linha. Texto para o eixo Y. Texto para o eixo X. Salva a imagem em arquivo PNG.

14 Pylab / Matplotlib (exemplo B-II) from pylab import * ent = arange(0., 20.1,.1) Arquivo de saída subplot(311) A sai = cos(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.25,.5)) ylabel('a') subplot(312) B sai = sin(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.5,.25)) ylabel('b') AxB subplot(313) sai = cos(ent) * sin(ent) plot(ent, sai, lw=3, c=(.1,.5,.5)) xlabel('entrada') ylabel('a x B') savefig('graf.png', dpi=100) graf.png

15 3D (I) Wireframe O wireframe representa a estrutura dos objetos que compõem a cena. Materiais Os materiais são aplicados aos objetos.

16 3D (II) Shading Sombreamento define como cada objeto da cena reage a luz. Texturas Texturas são imagens raster que são aplicadas aos materiais.

17 3D (III) Texturas Sombras A imagem é gerada aplicando um algoritmo (como o raytracing), que calcula cada ponto da saída. Reflexão

18 Animação (técnica keyframe) Keyframe Keyframe Keyframe Os frames entre os keyframes são calculador por interpolação. 125

19 VPython Implementa: Vários objetos 3D simples (cubo, esfera, cilindro, pirâmide, espiral,...). Recursos para facilitar animações. Iluminação, zoom e pan automáticos. Controles interativos.

20 VPython (exemplo C-I) from visual import * Desenha quatro caixas. box(pos=(12, 0, 0), length=1, height=21, width=29) box(pos=(-12, 0, 0), length=1, height=21, width=29) box(pos=(0, 10, 0), length=25, height= 1, width=29) box(pos=(0, -10, 0), length=25, height=1, width=29) Desenha a esfera e sombra. x, y, z =.1,.1,.1 b = sphere(pos=(3, 5, 7), radius=1.2) s = cylinder(pos=(3, -10, 7), axis=(0,.5, 0), color=color.black) while True: b.pos += (x, y, z) s.x, s.z = b.x, b.z if abs(b.x) > 10: x = -x if abs(b.y) > 8: y = -y if abs(b.z) > 12: z = -z rate(100) Move a esfera e a sombra. Muda a direção da esfera e da sombra. Controla a velocidade da animação.

21 VPython (exemplo C-II) Janela de saída Caixas Esfera b Sombra s

22 Blender Implementa: Modelagem 3D avançada, com materiais, texturas, iluminação, extrusão, entre outros. Recursos de animação sofisticados. Um game engine poderoso. Uma API que permite uso do Python.

23 Blender (cena) Fonte de luz Câmera Objetos

24 Blender (exemplo D-I) import math import Blender # A cena atual cena = Blender.Scene.GetCurrent() Câmera # Muda a camera de lugar camera = Blender.Object.Get()[0] camera.setlocation(9., -9., 7.) # Remove da cena o objeto "default" cubo = Blender.Object.Get()[1] cena.objects.unlink(cubo) # Cria uma fonte de luz lampada = Blender.Lamp.New('Lamp') lamp = Blender.Object.New('Lamp') # Muda o lugar da fonte (default = 0.0, 0.0, 0.0) lamp.setlocation(6., -6., 6.) Continua...

25 Blender (exemplo D-II) # "Prende" a fonte de luz na cena lamp.link(lampada) cena.objects.link(lamp) Fonte de luz # Cria um material material1 = Blender.Material.New('newMat1') material1.rgbcol = [.25,.25,.32] material1.setalpha(1.) # Cria uma textura textura1 = Blender.Texture.Get()[0] textura1.settype('clouds') textura1.noisetype = 'hard' # Coloca no material material1.settexture(0, textura1) mtex = material1.gettextures()[0] mtex.col = (.18,.18,.22) Continua...

26 Blender (exemplo D-III) # Cria o piso mesh = Blender.Mesh.Primitives.Plane(25.) piso = cena.objects.new(mesh,'mesh') piso.seteuler(0., 0., math.radians(45)) # Coloca o material no piso piso.setmaterials([material1]) piso.colbits = 1 # Cria outro material material2 = Blender.Material.New('newMat2') material2.rgbcol = [.52,.61,.62] material2.setalpha(1.) # Cria outra textura textura2 = Blender.Texture.Get()[0] textura2.settype('stucci') textura2.noisetype = 'hard' Piso Continua...

27 Blender (exemplo D-IV) # Coloca no material material2.settexture(0, textura2) mtex = material2.gettextures()[0] mtex.col = (.22,.22,.32) # Cria objetos na cena def objeto(local, tam, mat, prim=blender.mesh.primitives.cube): mesh = prim() obj = cena.objects.new(mesh, 'Mesh') obj.setlocation(*local) obj.size = tam obj.setmaterials(mat) obj.colbits = 1 return obj mat = [material2] Continua...

28 Blender (exemplo D-V) # Primitiva do cilindro prim = Blender.Mesh.Primitives.Cylinder # Cria colunas no fundo for i in xrange(16): # Topo da primeira fileira local = (i - 8., 8., 2.5) tam = (.25,.25,.1) objeto(local, tam, mat) # Base da primeira fileira local = (i - 8., 8., 0.) objeto(local, tam, mat) # Corpo da primeira fileira tam = (.2,.2, 2.5) objeto(local, tam, mat, prim) Colunas Continua...

29 Blender (exemplo D-VI) # Topo da segunda fileira local = (-8., i - 8., 2.5) tam = (.25,.25,.1) objeto(local, tam, mat) Aqueduto # Base da segunda fileira local = (-8., i - 8., 0.) objeto(local, tam, mat) # Corpo da segunda fileira tam =.2,.2, 2.5 objeto(local, tam, mat, prim) # Aqueduto local = (-8., i - 8., 3.) tam = (.5,.5,.5) objeto(local, tam, mat) local = (i - 8., 8., 3.) objeto(local, tam, mat) Continua...

30 Blender (exemplo D-VII) # Cria colunas em cima do piso for i in (-3, 3): for j in range(-3, 4): # Topo das fileiras X local = (i, j, 2.5) tam = (.25,.25,.1) objeto(local, tam, mat) # Topo das fileiras Y local = (j, i, 2.5) objeto(local, tam, mat) # Base das fileiras X local = (i, j,.5) objeto(local, tam, mat) Colunas Continua...

31 Blender (exemplo D-VIII) # Base das fileiras Y local = (j, i,.5) objeto(local, tam, mat) # Corpo das fileiras X local = (i, j, 0) tam = (.2,.2, 2.5) objeto(local, tam, mat, prim) # Corpo das fileiras Y local = (j, i, 0) objeto(local, tam, mat, prim) # Cria escada for i in xrange(4): local = (0., 0., i / 16.) tam = (2. + (8. - i) / 4.,2. + (8. - i) / 4.,.25) objeto(local, tam, mat) Escada Continua...

32 Blender (exemplo D-IX) # Cria teto for i in xrange(35): local = (0., 0., i / 60.) tam = (3.5, 3.5 * ( 1. - i / 35.),.1) objeto(local, tam, mat) # Atualiza a cena cena.update() Teto

33 Blender (exemplo D-X) Cena final

34 Referências PIL: Matplotlib: VPython: Blender:

35 Computação Gráfica em Luiz Eduardo Borges Fim