Sumário COMPUTAÇÃO GRÁFICA E INTERFACES. O que é a Computação Gráfica. O que é a Computação Gráfica. Introdução. Carlos Carreto

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1 Sumário COMPUTAÇÃO GRÁFICA E INTERFACES Introdução O que é a Computação Gráfica Aplicações da Computação Gráfica Breve História da Computação Gráfica Carlos Carreto Curso de Engenharia Informática Ano lectivo 2003/2004 Escola Superior de Tecnologia e Gestão da Guarda O que é a Computação Gráfica A computação gráfica é a área das ciências da computação que estuda a geração, armazenamento, manipulação e interpretação de imagens por meio de computadores. O que é a Computação Gráfica Podemos dividir a computação gráfica em: O termo computação gráfica foi usado pela primeira vez em 1960 por William Fetter para descrever novos métodos de desenho gráfico usados no design do cockpit de aviões da Boeing. Bidimensional (2D) Tridimensional (3D)

2 O que é a Computação Gráfica Ou em: Computação Gráfica Passiva O computador é usado para definir, armazenar, manipular e apresentar imagens gráficas. O computador prepara e apresenta dados armazenados sob forma de imagens e o observador não interfere nesse processo. É por exemplo o caso da geração de um gráfico de barras a partir de uma tabela de dados, ou a visualização de uma animação ou filme. O que é a Computação Gráfica Computação Gráfica Interactiva O utilizador pode controlar o conteúdo, estrutura e aparência dos objectos e das imagens através de feedback visual. O primeiro sistema gráfico interactivo chamavase Sketchpad e foi criado em 1963 por Ivan Sutherland durante o seu doutoramento no MIT. Computação Gráfica Interactiva O computador também é utilizado para preparar e apresentar imagens. No entanto, neste caso o utilizador pode interagir em tempo real com a imagem. É o caso de um jogo de computador, de um programa de CAD ou de um sistema de realidade virtual. Modelo Programa Sistema Gráfico Output (ecrã, impressora, gravador de vídeo, HMD, etc) Input (rato, teclado, scanner, etc) Componentes de um sistema gráfico interactivo O que é a Computação Gráfica A Computação Gráfica, no seu sentido mais global, assume diversas formas/aplicações, suficientemente diferenciadas para que mereçam distinção e definições próprias: Síntese de Imagem Aplicações Síntese de Imagem As imagens são geradas artificialmente a partir de um conjunto de definições. O objectivo é a criação e representação de objectos e cenas. São exemplos de aplicação os sistemas CAD, a simulação, a animação, os jogos, os efeitos especiais no cinema, etc. Processamento de Imagem Análise de Imagem Visualização Computacional

3 Aplicações Processamento de Imagem Transformação de imagens com o objectivo de melhorar as características visuais da imagem tais como aumentar o contraste, ou o foco, ou ainda reduzir o ruído e distorções. É o caso do tratamento de imagens enviadas por satélite, aperfeiçoamento de fotografias, etc. Aplicações Análise de Imagem Reconhecimento e classificação de padrões contidos nas imagens, com o objectivo de produzir como output uma descrição abstracta da imagem. É o caso dos sistemas de reconhecimento óptico de endereços dos correios, do diagnóstico médico a partir da tomografia axial computorizada (TAC), visão robótica, etc. Aplicações Visualização Computacional Representação gráfica de informação, de forma a facilitar o entendimento de conjuntos de dados numéricos de alta complexidade. Exemplos de áreas de aplicação são: visualização de imagens médicas, meteorologia, dados financeiros, dinâmica dos fluidos, e muitas outras. A representação gráfica é gerada automaticamente a partir dos dados e ao utilizador cabe definir parâmetros e atributos da imagem para melhor navegar no conjunto de dados. Dessa maneira, a visualização de dados partilha de características da síntese, do processamento e da análise de imagem. Aplicações O seguinte diagrama representa a relação entre as quatro áreas descritas. Descrição Síntese de Imagens Análise de Imagem Visualização Imagem Processamento de Imagem Visualização Imagem

4 Breve História da Computação Gráfica Os primórdios ( ) Output: Texto e alphamosaic Input: Linha de comando Controle da aparência: Formatação codificada Controle da aplicação: Monotarefa, processamento batch Breve História da Computação Gráfica Sistemas Vectoriais ( s) Output: Desenho de estruturas em arame; Input: Linha de comando, teclados de funções e menus Controle da aparência: Pseudo WYSIWYG Controle da aplicação: Monotarefa e multitarefa Whirlwind, primeiro computador a possuir recursos gráficos de visualização de dados numéricos foi o, desenvolvido pelo MIT SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), convertia as informações capturadas pelo radar em imagem em um tubo de raios catódicos (na época uma invenção recente), utilizando ainda uma caneta luminosa (light pen). Uma das mais importantes publicações de Computação Gráfica até hoje, a tese do Dr. Ivan Sutherland (Sketchpad a man-machine Graphical Communication System). No início da década de 60, chamou a atenção das indústrias automobilísticas e aeroespaciais americanas. General Motors desenvolve o precursor dos primeiros programas de CAD Breve História da Computação Gráfica Sistemas Raster dos PCs ( hoje) Output: Janelas, icons, texto e imagens bitmap Input: WIMP GUI (Windows, Icons, Menus, Pointer Graphical User Interface): metáfora do desktop conceito de window, manipulação directa através de pointing e clicking Controle da aparência: WYSIWYG Controle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas Breve História da Computação Gráfica Estações Gráficas 3D ( hoje) Output: Imagens foto-realistas em tempo real de cenas 3D Input: Dispositivos de input 2D, 3D e nd, dispositivos de feedback Controle da aparência: WYSIWYG Controle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas Estações gráficas poderosas e sofisticadas bibliotecas gráficas permitem a geração de imagens foto-realistas A GUI é uma das principais aplicações da computação gráfico hoje em dia. Novos dispositivos de input com capacidade de feedback táctil.

5 Breve História da Computação Gráfica Novas tecnologias (1990s - hoje) Multimedia: Texto e gráficos em sincronia com som e vídeo Hipermedia: Multimédia com ligações World Wide Web: Hipermedia a uma escala global Realidade Virtual: RV imersiva (via HMD), não imersiva (via ecrã), Cave, Realidade Aumentada Novos Interfaces com o utilizador: 3D Widgets, baseados em gestos, interfaces sociais, agentes, avatares, etc. Breve História da Computação Gráfica Hardware gráfico A evolução do hardware é crucial no desenvolvimento da computação gráfica. Cada 18 meses o poder computacional duplica e o preço é reduzido para metade (Lei de Moore). A CPU Intel de um Pentium 4 contem 55 milhões de transístores, comparados com apensa os 26 milhões da CPU do Pentium III A evolução de plataformas de jogos e placas gráficas têm ainda exponenciais maiores, melhorando substancialmente a cada 6 meses. A GPU da última nvidia GeForce FX tem 135 milhões de transístores! Sistema de pintura virtual, CAVE Painting. Realidade aumentada sobrepõe imagens geradas por computador a imagens do mundo real. Por volta de 2017 a lei de Moore será suplantada pelas leis da física que apenas permitem encolher os transístores de um chip até um determinado limite. Mesmo assim é de esperar que o poder computacional continue a aumentar graças a computadores não baseado em silício tais como computadores quânticos, ópticos e de ADN. Nota histórica Os primeiros computadores dispunham apenas de impressoras de caracteres como dispositivo de saída. Utilizavam-se técnicas tais como half tone para se conseguir reproduzir imagens nas impressoras. Durante os anos 50 e 60, quando se acelerou o desenvolvimento de tecnologias de Computação Gráfica, inventou-se um novo conceito em visualização: em vez de caracteres, as imagens passaram a ser geradas por um conjunto de pontos individuais chamados pixel (picture element). Classificação Os dispositivos gráficos podem ser classificados, entre outros, segundo dois pontos de vista: No que se refere à finalidade podemos classificá-los como dispositivos gráficos de entrada, ou de saída. No que se refere ao formato dos dados podemos classificá-los como dispositivos gráficos matriciais, ou vectoriais.

6 de Entrada Nos dispositivos gráficos de entrada o termo matricial define Uma classe de dispositivos em que os dados são colhidos em conjunto e armazenados em forma de matrizes. Por outro lado dispositivos vectoriais de entrada denotam equipamentos através dos quais se pode colher dados de forma isolada. Funções dos de Entrada 1. Controlo do cursor; 2. Digitalização de informações gráficas externas ao computador; 3. Seleccionar comandos e funções. Exemplos de de Entrada Teclado Dispositivo vectorial. É o dispositivo mais comum de todos os computadores. Como dispositivo gráfico de entrada é utilizado quando nos valemos das teclas de função e de setas Para movimentar um cursor sobre o ecrã de um monitor de vídeo; Exemplos de de Entrada Rato Dispositivo vectorial. O utilizador ao deslocar o rato sobre uma mesa produz a rotação de uma esfera. Esta rotação é convertida em impulsos e enviada ao computador sob a forma de números que definem o deslocamento do rato em relação a sua posição anterior. É normalmente utilizado para mover um cursor sobre o ecrã e permitir a criação de desenhos ou a escolha de opções em menus, entre outras funções. Possui na sua parte superior, um ou mais botões que ao serem pressionados também geram sinais para o computador.

7 Exemplos de de Entrada Trackball Dispositivo vectorial. Pode ser considerado um rato de cabeça para baixo através do qual o utilizador gira directamente uma esfera colocada dentro de uma pequena caixa. Estes giros são tratados de forma idêntica ao que acontece com um rato de esfera. Exemplos de de Entrada Scanner Dispositivo matricial. É um aparelho que possui sensores capazes de detectar as mudanças de coloração de uma superfície (desenhos e letras), transferindo ao computador uma matriz de pontos correspondentes a essas mudanças de coloração. Exemplos de de Entrada Mesa Digitalizadora Dispositivo vectorial. É constituída por uma mesa e por um apontador (caneta ou rato). Cada vez que o utilizador toca na mesa com o apontador é enviado ao computador a coordenada desse ponto dentro da mesa. Existem três tipos básicos de mesas digitalizadoras: mesa de sensores por pressão; mesa de leitura eléctrica e mesas acústicas. Exemplos de de Entrada Digitalizador 3D Dispositivo vectorial. Consiste numa espécie de braço mecânico com um sensor de toque na ponta. Cada vez que o sensor atinge um ponto na superfície de um objecto a coordenada 3D deste ponto em relação a um ponto de referência, é transmitida ao computador.

8 Exemplos de de Entrada Luva Dispositivo vectorial. Uma maneira intuitiva de comandar acções no mundo virtual é usar gestos capturados por luvas, como puxar, empurrar, girar, agarrar, soltar, tocar, etc. Uma luva é construída com material leve com transdutores acoplados ao longo dos dedos. Os transdutores podem ser strain gages ou fibra óptica que têm suas características alteradas pela tensão. Um rastreador no pulso fornece o posicionamento e a orientação da mão enquanto os transdutores dão os movimentos dos dedos. Uma variação das luvas são aquelas com reacção de força, constituídas de sensores e actuadores, dando a impressão de toque real nos objectos. de Saída Para dispositivos gráficos de saída, por sua vez, o termo matricial designa dispositivos cuja geração de imagens dá-se "acendendo" ou "apagando" pontos de uma matriz. Por outro lado, dispositivos vectoriais de saída são aqueles em que as imagens são geradas através de comandos específicos para a geração de primitivas gráficas como, por exemplo, linhas e círculos. Output Gráfico: Vectorial vs. Quadricula Arquitectura Vectorial

9 Arquitectura Raster (Quadricula) Arquitectura Raster de 1 bit Capacidade apenas para duas cores O valor de intensidade é convertido por um DAC num sinal analógico que irá controlar o raio de electrões Arquitectura Raster de n-bits Funcioanemnto da Look-Up Table Capacidade para 2 n cores ou intensidades O valor do pixel no frame buffer, serve de índice na Look-Up Table (CLUT), onde está armazenada a cor. Nos sistemas True Color, são usados 24 bits para representar a cor, 8 bits para cada cor básica 2 24 = 16.7 milhões de cores, mais das que o olho humano pode destinguir (entre 7 e 10 milhões) A look-up table permite 2 n cores a partir de 2 24 cores para usar numa imagem, e outras 2 n cores para usar noutra imagem

10 Exemplos de de Saída Traçador gráfico ou plotter Dispositivo vectorial. É um dispositivo que utiliza uma caneta para riscar o papel. Existem dois modelos básicos. Um onde o papel permanece fixo e a caneta produz desenhos sobre o mesmo pela combinação de movimentos horizontais e verticais, e outro onde o desenho é produzido pela combinação dos movimentos do papel e da caneta (um ortogonal ao outro). Independente do modelo os traçadores são, em geral, dispositivos que recebem comandos de alto nível que especificam o traçado de pontos, linhas, círculos, arcos, etc. Exemplos de de Saída Impressoras matriciais Dispositivo matricial. Possuem uma cabeça onde estão montadas colunas de agulhas. Estas agulhas são pressionadas contra uma fita gerando imagens no papel. Para se obterem imagens colorias é necessário usar fitas de mais de uma cor como nas máquinas de escrever. Exemplos de de Saída Impressoras a jactos de tinta Dispositivo matricial. Possuem na cabeça minúsculos tubos que injectam tinta sobre o papel. Utilizando tintas de várias cores obtém-se imagens semelhantes a fotografias, sendo esta sua grande vantagem. Exemplos de de Saída Impressoras laser Dispositivo matricial. São as que possuem melhor qualidade de imagem em preto e branco. Funcionam de maneira semelhante às máquinas de fotocópias. A imagem é magnetizada por laser num tambor sobre o qual é espalhado tonner que se concentra nos pontos magnetizados. Em seguida o tambor é pressionado sobre o papel que absorve a tinta. O grande problema das impressoras laser é que para poder gravar a imagem sobre o tambor é necessário que a mesma seja mapeada em memória. Como a resolução é muito alta esta memória tende a ser bastante grande (da ordem dos mega bytes).

11 Exemplos de de Saída Monitores de vídeo Dispositivo matricial. É baseado num tubo de raios catódicos. Uma cápsula de vidro de formato especial constitui o corpo e é suporte para todos os seus componentes internos. A parte frontal do tubo é revestida com uma camada de fósforo, um produto químico capaz de emitir luz quando bombardeado por electrões. O canhão de electrões situa-se na extremidade oposta do tubo e é capaz de direccionar o seu feixe para uma determinada posição do ecrã gerando assim um pixel. À medida que deslocamos o feixe, o rastro de brilho que fica sobe a tela irá compor a imagem. De tempos em tempos é necessário fazer um refresh da imagem (cerca de 60 vezes por segundo), ou seja, é necessário que o canhão redesenhe a mesma imagem antes que o fósforo se apague. Desta maneira tem-se a ilusão de que a imagem permanece "acesa". Exemplos de de Saída HMD e óculos estereoscópicos Tanto os capacetes como os óculos dão a noção de profundidade. Os capacetes permitem a imersão, enquanto que os óculos não fazem isto por si só, dependendo do ambiente de visualização. Usando monitor, a visualização é não imersiva, enquanto que dentro de uma CAVE tem-se a visualização imersiva. Os óculos estereoscópicos funcionam com a comutação entre transparência e escurecimento de cada lente, sincronizados com a apresentação da imagem para cada olho no monitor. Como cada imagem é desfasada de outra, em relação à distância, a comutação rápida da imagem e da transparência/escurecimento das lentes faz com que a pessoa tenha a sensação de estar a ver uma cena real tridimensional. O capacete, por outro lado, apresenta duas imagens desfasadas (uma para cada olho), directamente nos olhos do utilizador. Como o capacete é rastreado, a movimentação da cabeça faz com que as imagens sejam geradas, de acordo com a posição e orientação do utilizador. Exemplos de de Saída CAVE Dispositivo matricial. O ambiente CAVE (Cave Automatic Virtual Environment), desenvolvido inicialmente na Universidade de Illinois, Chicago, em 1992, tornou-se bastante popular pelas suas características de imersão, tamanho real e visualização em grupo. O ambiente é baseado numa sala, onde as paredes, piso e teto são telas que recebem a projecção sincronizada das partes de um mundo virtual. A CAVE comporta-se assim como uma bolha com os utilizadores dentro, navegando no mundo virtual.