Introdução ao Processamento e Síntese de imagens. Fonte: Traina, A. J. M. & Oliveira, M. C. F. (2004)

Transcrição

1 Introdução ao Processamento e Síntese de imagens. Fonte: Traina, A. J. M. & Oliveira, M. C. F. (2004)

2 Definição A Computação Gráfica é a área da ciência da computação que estuda a geração, manipulação e interpretação de modelos e imagens de objetos utilizando computador. Tais modelos vêm de uma variedade de disciplinas, como física, matemática, engenharia, arquitetura, etc.

3 Sub-áreas Síntese de Imagens: área que se preocupa com a produção de representações visuais a partir das especificações geométrica e visual de seus componentes. É freqüentemente confundida com a própria Computação Gráfica. As imagens produzidas por esta sub-área são geradas a partir de dados mantidos nos chamados Display-Files. Processamento de Imagens: envolve as técnicas de transformação de Imagens, em que tanto a imagem original quanto a imagem resultado apresentam-se sob uma representação visual (geralmente matricial). Estas transformações visam melhorar as características visuais da imagem (aumentar contraste, foco, ou mesmo diminuir ruídos e/ou distorções). As imagens produzidas/utilizadas por esta sub-área são armazenadas/recuperadas dos chamados Raster-Files. Análise de Imagens: área que procura obter a 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). Link notas do Galo

4 Sub-áreas Fonte: Tommaselli Notas de aulas Computação Gráfica. Mostrar povray, Google SketchUp, cortona

5 Aplicações: Interfaces: janelas gráficas, menus dinâmicos, ícones... Traçado interativo de gráficos: aplicativos voltados para usuários em ciência, tecnologia e negócios gerando gráficos que ajudam na tomada de decisões. Automação de escritórios e editoração eletrônica: criação de documentos que combinam texto, tabelas e gráficos. Projeto e desenho auxiliado por computador: CAD, projetar componentes, peças e sistemas de dispositivos mecânicos, elétricos... Simulação e animação para visualização científica: interpretar as quantidades prodigiosas de dados produzidas por programas computacionais. Controle de processos: sistemas de controle de tráfego aéreo e espacial e outros. Visualização Médica: Arte: produzir efeitos artísticos, como a extração de texturas, padrões e estruturas a partir de fotos digitalizadas. Entretenimento: filmes Cartografia: SIG, CAD,... (slide cg_carto)

6 Computação Gráfica e Síntese de Imagens A Computação Gráfica trata da síntese de imagens de objetos reais ou imaginários a partir de modelos computacionais. Síntese de Imagens parte da descrição de objetos tais como segmentos de reta, polígonos, poliedros, esferas, etc.; e produz uma imagem que atende a certas especificações e que pode, em última instância, ser visualizada em algum dispositivo (terminal de vídeo, plotter, impressora, filme fotográfico...). As imagens em questão constituem uma representação visual de objetos bi- ou tridimensionais descritos através de especificações abstratas.

7 Representações Gráficas Gráficos Vetoriais: Representação por coleção de objetos geométricos pontos Retas Curvas Planos Polígonos Gráficos Matriciais Amostragem em grades retangulares o Imagens digitais Matrizes de pixels Cada pixel representa uma cor o Dados volumétricos Imagens médicas Cada pixel representa densidade ou intensidade de algum campo

8 Conversão entre representações Representações Vetoriais (intro_modelagemgeometrica_complem) Rasterização Scan conversion Reconhecimento de padrões Representações Matriciais

9 Dispositivo de Visualização Impressoras matriciais; Nesse padrão, a cabeça de impressão possui pequenas agulhas que empurram a fita de tinta contra o papel. Fonte:

10 Dispositivo de Visualização Impressoras a jato de tinta - processo subtrativo; o O esquema de cores mais usado nas impressoras é o CMYK, ciano (Cyan), magenta (Magenta), amar elo (Yellow) e preto (black). projetando um feixe de luz (lanterna) que passa por um filtro verde a luz projetada será verde. impressora - devido ao problema de cores e por economia tem um cartucho (preto). Fonte:

11 Dispositivo de Visualização Impressoras a laser o um feixe de raio laser cria uma imagem eletrostática de uma página no tambor, aplica-se o TONER no tambor fotosensivel, que adere apenas às zonas sensibilizadas, o tambor passa sobre a folha de papel - o pó é transferido para sua superfície, passa por um aquecedor chamado de FUSOR, o qual queima o Toner. Fonte:

12 Dispositivo de Visualização Dispositivos de Vídeo Varredura o Monitores CRT - Tubo de Raios Catódicos (Cathode Ray Tube) - A tela deste tubo é composta por camadas de fósforo, que é atingida por elétrons através de "disparos" feitos por um canhão localizado no início do tubo. Fonte:Traina, A. J. M. & Oliveira, M. C. F. (2004)

13 Memória de imagem é transferida para a tela pelo controlador de vídeo (conversor D/A) Varredura de pelo menos 15x por seg. RGB 3 canhões e 3 tipos de fósforos.

14 Dispositivo de Visualização Monitores RGB Monitores - processo aditivo de cores Monitor constituído de pequenas células compostas de partes vermelhas, verdes e azuis (cores primárias) combinando aditivamente -. o vermelho + verde => amarelo (Y - Yellow) o verde + azul => ciano (C) o vermelho +azul => magenta (M) o W - branco (White)

15 Dispositivo de Visualização Monitores LCD - telas de cristal líquido (Liquid Crystal Display) Fonte: APOSTILA DE TREINAMENTO TELEVISORES LCD Semp Toshiba

16 LÂMPADA FLUORESCENTE (BACKLIGHT)- Fonte de iluminação do tipo fluorescente localizada na parte traseira do painel que permite a exibição das imagens. VIDRO DIFUSOR - Como a luz emitida concentra-se na região próxima da lâmpada, um vidro difusor é colocado na frente das mesmas, para uniformizar e distribuir igualmente a luz através de todos os pontos da tela. PLACA POLARIZADORA TRAZEIRA - É a Primeira placa polarizadora onde os feixes de luz são polarizados verticalmente e ajustados as camadas de cristal líquido. PLACA COM MATRIZ DE TRANSISTORES TFT - É um arranjo de milhares de transistores em forma de matriz de linhas e colunas, de tal forma que cada transistor se adéqüe perfeitamente a cada umas das milhares de moléculas de LCD, característica dos atuais painéis LCDs, que empregam a tecnologia TFT (Twisted Film Transistor), também chamada matriz ativa.

17 PLACA DE CRÍSTAL LÍQUIDO - Esta placa é constituída por milhares de células arranjadas em forma de uma matriz de linhas e colunas. Cada célula individualmente deixará passar mais ou menos luz, conforme a corrente recebida. COM FILTRO COLORIDOS RGB - É um painel formado por uma grade de células, com as mesmas dimensões das células LCD, porém composta por filtros coloridos nas cores básicas RGB, é este componente que permite que o painel de LCD mostre as imagens coloridas. Cada conjunto de 3 células com seus respectivos filtros representam um pixel da imagem a ser mostrada. PLACA POLARIZADORA FRONTAL - É a segunda placa polarizadora, onde os feixes de luz são polarizados horizontalmente.

18 O LCD é um dispositivo digital, que se baseia na propriedade do cristal líquido, de desviar a trajetória da luz transmitida pelo mesmo. O desenho abaixo esquematiza como isso acontece: Fonte: APOSTILA DE TREINAMENTO TELEVISORES LCD Semp Toshiba

19 Os pixels do exemplo 1 são ligados. Com nenhuma tensão aplicada, as moléculas de LCD torcem para se encaixarem na película de alinhamento do Filtro Polarizador, fazendo com que o Feixe de Luz que atravessou a primeira placa polarizadora que está na vertical se encaixe perfeitamente e atravesse a segunda placa polarizadora, que se encontra na horizontal. Os pixels do exemplo 2 são desligados. Com tensão aplicada, as moléculas de LCD se alinham com o campo elétrico, o feixe de luz atravessa a primeira placa polarizadora que está na vertical, mas não atravessa a segunda placa polarizadora que se encontra na horizontal.

20 Resolução Gráfica Virtualmente todos os dispositivos de I/O gráficos usam uma malha retangular de posições endereçáveis, denominada de retângulo de visualização. 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: 1. ndh - o número de posições endereçáveis horizontalmente; 2. ndv - o número de posições endereçáveis verticalmente; 3. width - a largura do retângulo de visualização em mm; 4. height - a altura do retângulo de visualização em mm. A partir desses 4 parâmetros, vários números podem ser calculados:

21 Resolução Gráfica 1. resolução horizontal: horiz_res= ndh/width 2. tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size= width/ndh 3. resolução vertical: vert_res= ndv/height 4. tamanho ponto vertical: vert_dot_size= height/ndv 5. total pontos endereçáveis: total_nr_dots= ndh*ndv 6. resolução de área: area_res=total_nr_dots/(width*height) 7. razão de aspecto gráfica:aspect_ratio= vert_dot_size/horiz_dot_size 8. razão de aspecto física: physical_aspect_ratio= height/width horiz_res, vert_res e area_res definem resoluções físicas, ndh, ndv e total_nr_dots definem resoluções gráficas

22 Resolução Gráfica - exemplos Dados: Monitor LCD x900 pixels ndh x ndv width = 412mm height = 259mm calcular: resolução horizontal: horiz_res= ndh/width tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size= width/ndh resolução vertical: vert_res= 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 Exercício: Monitor CRT x1050 pixels ndh x ndv width = 475mm height = 300mm

23 Sistemas de Coordenadas

24 Sistemas de Coordenadas os dispositivos de visualização gráfica matriciais consistem de uma matriz de pixels endereçáveis, um gráfico é formado "acendendo" ou "apagando" um pixel. Os pixels são endereçados por dois números inteiros que dão suas coordenadas horizontal e vertical, dcx, e dcy (dispositivo) 0 dcx ndhm1 ndh dcy ndvm1 ndv - 1 Coordenadas normalizadas do dispositivo (NDC - normalized device coordinates) 0 ndcx 1 0 ndcy 1

25 Sistemas de Coordenadas NDC (0,0) corresponde à origem (0,0) do dispositivo, e NDC (1,1) refere-se ao pixel no canto inferior direito, que corresponde ao pixel (ndhm1, ndvm1) do dispositivo. o A vantagem da utilização de NDCs - independe dos dispositivos gráficos. o dados gráficos (NDCs) precisam ser transformados 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 = Int(ndcx * ndhm ) dcy = Int(ndcy * ndvm )

26 Sistemas de Coordenadas Sistema de coordenadas físico - (pcx, pcy) (polegadas ou mm) o Onde: pcx é a distância física ao longo do eixo x a partir do extremo esquerdo do retângulo de visualização, e pcy é a distância física ao longo do eixo y a partir do extremo inferior. A transformação de coordenadas físicas para coordenadas do dispositivo é dada por: dcx = Int(ndhm1 * pcx / width + 0.5) dcy = Int(ndvm1 * pcy / height + 0.5) obs: retângulo de visualização (janela de visualização): menor polígono regular (4 lados) que contém os dados a serem visualizados.

27 Sistemas de Coordenadas do mundo 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 xmin, ymin, xmax e ymax, definem uma área retangular no espaço bidimensional, denominada de janela de visualização.

28 Transformação de coordenadas (1) mundo normalizada dispositivo o A transformação de coordenadas do usuário (x,y) para NDCs (ndcx,ndcy), denominada transformação de visualização, é dada por: ndcx = x x xmin max xmin ndcy = y y ymin max ymin e pcx = ndcx* width pcy= ndcy* height

29 Exercício. Calcular as coordenadas normalizadas do poligono definido pelos pontos abaixo: Considerando as dimensões uma janela de 500x400 pixels para a visualização, calcular as coordenadas de tela do polígono:

30 Transformação de coordenadas (2) mundo dispositivo O objeto é visualizado ocupando todo o espaço do dispositivo, definido pela maior extensão (x ou y) a ser representado: Escala na direção x: Escala na direção y: Definição da escala de representação E: Escolher a menor das {E W, E h } E Definição de um ponto no dispositivo de visualização i = (int)[ (x i - xmin)*e +0,5]; obs 1 : mantém a forma do objeto j = (int)[ (ymax - y i )*E + 0,5]; obs 2 : adaptado para sistema de tela

31 x = Transformação de coordenadas (3) mundo normalizada dispositivo xmax xmin y y x = ymax Se x > y fy = e fx= 1 x y Senão fx = e fy= 1 x xmin y ymin ndcx = fx ndcy= x y dcx = Int(ndcx * ndhm ) ymin fy obs 1 : adaptado para sistema de tela dcy = Int(ndcy * ndvm ) obs 2 : deforma o objeto.

32 Exercício 2: Calcular as coordenadas de tela do poligono definido pelos pontos abaixo, utilizando os dois procedimentos apresentados: Plotar os pontos em um papel quadriculado, considerando as dimensões do papel como a janela de visualização. Ligar os pontos com uma régua e pintar os pixels que são cruzados pela linha. Obs: considerar a origem (0,0) no canto superior esquerdo como na tela do PC.