Enquadramento e Conceitos Fundamentais

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1 Licenciatura em Engenharia Informática e de Computadores Computação Gráfica Enquadramento e Conceitos Fundamentais Edward Angel, Cap. 1

2 Questão 9, exame de 29/06/11 [0.5v] Identifique e descreva os três blocos fundamentais de uma arquitectura raster. Processador gráfico - responsável pela geração de imagem Frame buffer - Memória de imagem baseada em pixels? Controlador de refrescamento de vídeo - responsável por ler a memória de imagem e converter o conteúdo em sinal de vídeo para que este seja enviado para o dispositivo de visualização.

3 LEIC CG Enquadramento e Conceitos Fundamentais Dispositivos, imagens e pixels

4 Imagens Raster Maioria dos dispositivos de saída são de quadrícula Representação discreta de imagens é a mais usada (Raster Images) Composta por array rectangular de quadrículas Por vezes chamadas de pixels) Pixel = Picture Element Imagens raster mais usadas devido aos dispositivos? Ou talvez o contrário Abordagem discreta é muito conveniente em ambos Dispositivo ou representação

5 Dispositivos Raster Saída Tubo de raios catódicos (CRT) Em desuso Ecrã de cristais líquidos (LCD) Transmissivo necessita backlight TFT é uma variante do LCD Ecrã de Light Emitting Diodes (LED) Emissivo não necessita backlight Entrada Sensores 1D: Scanners Sensores 2D: Câmaras Digitais Sensores 3D: Range Scanner

6 Curiosidade Range Scanner

7 Curiosidade Resultado de um Range Scan

8 Vídeo SIGGRAPH 2011 Kinect Fusion Reconstrução 3D em tempo real Trabalho desenvolvido por equipa de MSR Cambridge Imperial College London Newcastle University Lancaster University University of Toronto Vários trabalhos ligados a este tema a decorrer no IST

9 Imagem: definição formal I ( x, y) : C V C V V = = R R + 2 ( + R ) 3 Coordenadas (espaço número reais) Apenas intensidade (sem cor) Com três canais de cor V = ( + R ) 4 Com canal alfa

10 Imagem raster Imagem raster é representação discreta Domínio Z 2, não R 2 Espaço contínuo é mapeado em espaço discreto Array de pixels ou quadrículas Representa esse espaço Cada pixel representa o centro de uma área na imagem

11 Coordenadas na imagem

12 Coordenadas na imagem Esta abordagem pode variar ligeiramente Eixo YY ser invertido Quadrícula pode não estar centrada na origem Direct3D 10

13 LEIC CG Enquadramento e Conceitos Fundamentais Criação de Imagens Sintéticas

14 Criação de Imagens Sintéticas Conceitos Fundamentais Fontes de luz necessárias para iluminar a cena Relação Modelo Vista como mapear o modelo numa vista Câmara Virtual para definir que porção da cena irá aparecer na imagem

15 Criação de Imagens Sintéticas Conceitos Fundamentais Fontes de luz necessárias para iluminar a cena Relação Modelo Vista como mapear o modelo numa vista Câmara Virtual para definir que porção da cena irá aparecer na imagem

16 Fontes de Luz Radiação Electromagnética Cor versus Energia versus Espectro Propriedades físicas da luz raramente são necessárias em CG

17 Espectro Electromagnético

18 Espectro Electromagnético nm luz visível raios cósmicos raios gama raios X UV IV rádio radiação térmica log 10 λ

19 Energia do Espectro Visível Energia (ev) Azul 440 nm Verde 545 nm Vermelho 680 nm violeta azul verde vermelho λ [nm]

20 Fontes de Luz Propriedades físicas da luz raramente são necessárias em CG excepto para determinar correspondência entre frequências e cor Óptica geométrica Modela fontes de luz como emissores de energia Intensidade fixa Raios lineares

21 Iluminar uma cena

22 Fonte de Luz Pontual

23 Fonte de Luz não Pontual

24 Spotlight

25 Óptica Geométrica Seguir os raios de luz da fonte até à câmara Qual a % dos raios de luz que chegam à câmara?

26 Óptica Geométrica Existe técnica que segue este princípio: Ray-Tracing Falaremos dela mais à frente,

27 Criação de Imagens Sintéticas Modo Local ou Global Local: cálculo da imagem de cada objectos por si: Luz não é bloqueada por outros objectos Luz não é reflectida por outros objectos Objectos translúcidos não directamente suportados Global: baseadas na Física: Modelos com geometria simples Complexidade computacional elevada

28 Criação de Imagens Sintéticas Modo Local ou Global Sem iluminação global Com iluminação global

29 Criação de Imagens Sintéticas Conceitos Fundamentais Fontes de luz necessárias para iluminar a cena Relação Modelo Vista como mapear o modelo numa vista Câmara Virtual para definir que porção da xena irá aparecer na imagem

30 Visualização no Sistema Gráfico 2D Mais simples de compreender Facilmente extensível a 3D Dois sistemas de coordenadas Coordenadas do Mundo (cena) Coordenadas do Dispositivo (vista)

31 Viewport versus Janelas

32 Visualização no Sistema Gráfico 3D Facilmente extensível a partir do 2D Partilha conceitos e técnicas Sistemas de coordenadas têm dimensões diferentes Coordenadas do Mundo (cena) em 3D Coordenadas do Dispositivo (vista) em 2D Solução: usar projecções Projecção permite Representação planar de cena 3D Técnica muito antiga!

33 Vídeo Juranessic Annecy 2002

34 Projecções Geométricas Planas Linhas Projectantes são rectas Superfície de Projecção plana Plano de imagem ou de projecção Pirâmide visual (Alberti, séc XV) Della Pittura, L.B. Alberti, 1436 raios projectores plano da imagem Centro de projecção (CDP)

35 Taxonomia das Projecções Geométricas Planas Projecções Geométricas Planas Paralelas Perspectivas Ortogonais Oblíquas Alçado Gabinete Frontal Planta Cavaleira Alçado Lateral Outras Axométrica 1 ponto de fuga Outras 2 pontos de fuga 3 pontos de fuga Isométrica Dimétrica Trimétrica

36 Taxonomia das Projecções Geométricas Planas Projecções Geométricas Planas Paralelas Perspectivas Ortogonais Oblíquas Alçado Gabinete Frontal Planta Cavaleira Alçado Lateral Outras Axométrica 1 ponto de fuga Outras 2 pontos de fuga 3 pontos de fuga Isométrica Dimétrica Trimétrica

37 Projecções Geométricas Planas Existem dois tipos principais Projecção Perspectiva Projecção Paralela Raios Projectores A A B Raios Projectores A A B CDP B Plano de Projecção Direcção de Projecção B Plano de Projecção Determinada pelo centro de projecção (CDP) Distância do CDP ao plano finita Os raios projectores são convergentes Determinada por direcção de projecção Distância do CDP ao plano infinita. Os raios projectores paralelos entre si

38 Projecções Ortogonais Usadas em desenhos técnicos Engenharias Civil e Mecânica Arquitectura Planta Vantagens Medidas precisas Todas as vistas na mesma escala Limitações Não é possível visualizar objectos 3D Múltiplas vistas para definir peça Alçado lateral Alçado frontal

39 Projecções Ortogonais

40 Projecções Perspectivas Usadas nas mais variadas áreas Arquitectura, desenho industrial, engenharia Artes gráficas Ambiente virtuais Vantagem Garantem maior realismo Ponto de Fuga (x) Ponto de Fuga (y) Desvantagem Alteram geometria dos objectos

41 Projecções Perspectivas

42 Projecção perspectiva com 2 pontos de fuga

43 Criação de Imagens Sintéticas Conceitos Fundamentais Fontes de luz necessárias para iluminar a cena Relação Modelo Vista como mapear o modelo numa vista Câmara Virtual para definir que porção da cena irá aparecer na imagem

44 Pinhole Camera

45 Câmara Virtual

46 Câmara Virtual Plano de projecção à frente da câmara

47 Câmara Virtual Plano de projecção à frente da câmara

48 Volume de Recorte Câmara Virtual só vê parte do mundo

49 Criação de Imagens Sintéticas

50 LEIC CG Enquadramento e Conceitos Fundamentais Modelação Geométrica

51 Modelação Geométrica Formas Primitivas Básicas Esferas Cones... Polígonos Expressões Matemáticas Campos de Altura Superfícies Paramétricas Blobs Composição de Objectos

52 Formas Primitivas Básicas Cones Cilindros Esfera

53 Expressões Matemáticas Superfície Paramétrica Mapa de Alturas Blobs Superfícies Implicítas

54 Objecto num Sistema Gráfico glbegin (GL_POLYGON) glvertex3f (0.0, 0.0, 0.0); glvertex3f (0.0, 1.0, 0.0); glvertex3f (0.0, 0.0, 1.0); glend ( ); Desenho de?

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