Introdução à Computação Gráfica

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1 Introdução à Computação Gráfica Introdução Ângelo Oliveira 13/Fev/2008 1

2 Sumário Definição e Enquadramento Conceitos Aplicações da CG Arquitecturas Gráficas Sistemas Gráficos Dispositivos Raster Conceitos CRT LCD Arquitectura 2

3 Definição(1) A Computação Gráfica é a área da computação que estuda a criação, armazenagem, manipulação e interpretação de modelos de objectos e subsequentes imagens por meio de computador. 3

4 Definição(2) Engloba hardware/software algoritmos, construções conceptuais de modelos (estáticos, dinâmicos) formas de armazenar informação teorias matemáticas para representação de imagens modelos matemáticos para definição de sequências visuais em animação. fenómenos físicos (óptica, por exemplo) transformações geométricas de modelos Sistemas de coordenas e projecções 4

5 Definição(3) Áreas relacionadas Informática Algoritmos Estruturas de Dados Métodos Numéricos Matemática Geometria, Álgebra Linear Transformações geométricas,.. Física Óptica Mecânica Psicologia Percepção da cor Arte Jogos 5

6 Definição(4) Sub-domínios Modelização/Processamento de dados Síntese de Imagens Processamento de imagens Análise/interpretação de imagens (visão computacional) 6

7 Definição(5) Modelização/processamento de dados Definição e estruturação de dados geométricos computacionalmente, assim como a sua manipulação Síntese de Imagens Os dados provenientes do sistema de modelização geométrica são processados e os resultados são apresentados na forma gráfica Frequentemente confundida com a própria definição de Computação Gráfica Processamento de Imagens A entrada é uma imagem que após ser processada fornece como saída outra imagem. Ex: melhoramento/filtragem de imagens Análise de Imagens: Obter informações a partir de uma imagem (entrada). informações geométricas, físicas sobre os dados que deram origem a imagem. Ex: Determinar o área de um elemento a partir de uma imagem 7

8 Enquadramento(1) Computação Gráfica Modelo do Objecto (3D) Sintese Análise R a s t e r D i s p l a y Imagem do Objecto (2D) Processamento da Imagem 8

9 Enquadramento(2) Síntese Produção de representações visuais a partir das especificações geométrica e visual dos seus componentes. Análise Obtenção da 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). RasterDisplay Dispositivo de saída gráfica que apresenta a informação através do preenchimento de uma matriz de pontos (pixels). 9

10 Modelos(1) Representação de objectos 3D Pontos Linhas Polígonos Superfícies curvas Texturas 10

11 Modelos(2) Representação de objectos 3D 11

12 Modelos(3) Representação de objectos 3D 12

13 Renderização(1) Construção de imagens gráficas 2D a partir de modelos 3D 13

14 Renderização(2) Construção de imagens gráficas 2D a partir de modelos 3D 14

15 Renderização(3) Composição + Modelo 15

16 Renderização(4) Composição de Imagens efeitos especiais 16

17 Renderização(5) Modelos de iluminação e textura 17

18 Renderização(6) Imagens Artificiais 18

19 Renderização(7) Imagens Artificiais 19

20 Imagens 2D(1) Transformações (representações) 2D 20

21 Imagens 2D(2) Morphing 21

22 Imagens 2D(3) Morphing 22

23 Animação(1) Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo Captura do movimento 23

24 Animação(2) Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo Captura do movimento 24

25 Animação(3) Animação = Simulação de alterações ao longo do tempo Modelização Iluminação Cinemática e Dinâmica 25

26 Aplicações da Computação Gráfica(1) Entretenimento Jogos e muito mais. Animação e Simulação Animações computadorizadas do comportamento variante no tempo de objectos reais ou simulados (por exemplo em filmes). criação de condições reais utilizando modelos físicos e matemáticos. ilusão de uma cena em movimento, utilizando sequência de imagens estáticas 26

27 Aplicações da Computação Gráfica(2) Entretenimento( ) 27

28 Aplicações da Computação Gráfica(3) Interfaces A maioria das aplicações para computadores pessoais e estações de trabalho actualmente dispõem de interfaces gráficos baseados em janelas, menus dinâmicos, ícones, etc. Cartografia A computação gráfica é usada para produzir representações precisas e esquemáticas de fenómenos naturais e geográficos obtidos a partir da recolha de dados. Diagramas para Gestão, Ciência e Tecnologia Aplicações direccionadas para o utilizador em ciência, tecnologia e negócios geram gráficos que ajudam na tomada de decisões, esclarecem fenómenos complexos e representam conjuntos de dados de forma clara e concisa. 28

29 Aplicações da Computação Gráfica(4) Visualização Cientifica 29

30 Aplicações da Computação Gráfica(5) Treino & Planeamento 30

31 Aplicações da Computação Gráfica(6) CAD Sistemas gráficos interactivos são utilizados para prever o formato de componentes, peças e sistemas de dispositivos mecânicos, eléctricos e electro-mecânicos. O objectivo é interagir com um modelo computacional do componente ou sistema sendo projectado, de forma a testar propriedades estruturais, eléctricas ou térmicas, até atingir um projecto satisfatório. 31

32 Aplicações da Computação Gráfica(8) Controle de processos Sistemas de controlo de tráfego aéreo e espacial, sistemas de controlo de refinarias e de centrais eléctricas que mostram graficamente os dados recolhidos por sensores ligados a componentes críticos dos sistemas, de forma que os operadores possam responder adequadamente a condições críticas. Publicidade 32

33 Aplicações da Computação Gráfica(9) Educação 33

34 Aplicações da Computação Gráfica(10) Comércio Electrónico 34

35 Aplicações da Computação Gráfica(11) Arte 35

36 Computação Gráfica Interactiva Actualmente a CG é altamente interactiva: o utilizador controla dinamicamente as imagens quanto ao seu conteúdo, formato, tamanho, cor ou outro possível atributo, numa superfície de visualização (um ecrã por exemplo) e através de dispositivos de interacção (rato e/ou teclado). Até ao início dos anos 80, tal não era possível, e a CG era uma disciplina restrita e altamente especializada (e porquê?...) A partir do advento dos computadores pessoais de baixo custo (PC s), tudo mudou... 36

37 Sistemas Gráficos(1) Objectivo Como obter uma imagem gráfica? A primeira ideia que se tem é que para a obtenção de uma imagem gráfica basta implementar funções para desenhar cada tipo de objecto (ponto, polígonos, etc). Mas... Como controlar os atributos (cor, reflexão, iluminação, ) dos objectos? Como resolver problemas de visibilidade? Como suportar diversos dispositivos gráficos? Como fazer programas independentes do sistema operativo utilizado? Possível solução! APIs gráficas sistemas gráficos Conjunto de funções gráficas que tem por objectivo normalizar a construção de aplicações e permitir a sua portabilidade. 37

38 Sistemas Gráficos(2) Em que consiste? Modelo da aplicação Representação de dados e objectos a serem visualizados (ex: definidos por aplicações específicas, base de modelos) Programa da aplicação Gestão dos dados a serem visualizados Tratamento de entradas gráficas (eventos) Chamadas aos comandos gráficos Sistema gráfico (API) Mapeamento entre primitivas gráficas e sua visualização Mapeamento entre acções do utilizador e entradas para o programa da aplicação A API proporciona à aplicação um interface independente para o hardware gráfico. 38

39 Sistemas Gráficos (História) (1) 2D Postscript Tornou-se um padrão por facilitar a publicação de documentos estáticos contendo gráficos 2D e texto. XWindows Padrão para o desenvolvimento de interfaces gráficos 2D em Workstations UNIX. 39

40 Sistemas Gráficos (História) (2) 3D Core GraphicsSystem(1979) Primeira tentativa Americana. GKS (GraphicsKernelSystem) Primeira especificação aprovada pela ANSI e ISO em O GKS suporta um conjunto de primitivas gráficas interrelacionadas, tais como: desenho de linhas, polígonos, caracteres, etc. PHIGS(Programmer s Hierarchical InteractiveGraphics System) Baseado no GKS, PHIGS éum padrão ANSI. O PHIGS (e seu descendente, PHIGS+) dispõe de meios para manipular e desenhar objectos 3D encapsulando descrições de objectos e seus atributos numa displaylist. 40

41 Sistemas Gráficos (História) (3) OpenGL Um dos sistemas gráficos mais populares actualmente. Os jogos da IDSoftware(Doom, Quake) são baseados no OpenGL. O OpenGL(GraphicsLibrary) é um padrão relativamente novo (a sua 1ªversão é de 1992) e é baseado na biblioteca GL das Workstations IRIS da SiliconGraphics. Consiste num conjunto de procedimentos e funções que permitem especificar os objectos e as operações que os envolvem produzindo resultados de alta qualidade. 41

42 Sistemas Gráficos (História) (4) DirectX (API) Criado pela Microsoft para o Windows No fundo é um conjunto de API s Direct3D DirectSound DirectPlay... 42

43 Sistemas Gráficos (Actualidade) A implantação do DirectX é crescente, apesar de alguns programadores acreditarem na superioridade técnica do OpenGL(ex: portabilidade entre sistemas operativos). A partir da versão 9 do DirectX, o avanço tecnológico foi notório (PixelShader e VertexShader). OpenGL 2.0 (Outubro 2004) trouxe melhorias significativas (em jeito de resposta ao DirectX). O Doom III foi baseado nesta última versão do OpenGL (daí o lançamento tardio). 43

44 Conceitos - Resolução É o número de pixéis usados para representar uma imagem. Determina quer o nível de detalhe quer os requisitos de armazenamento. 44

45 Conceitos Profundidade da Côr Imagem monocromática a preto e branco: Cada pixel é armazenado num bit (o ou 1). Uma imagem monocromática ocupa 37.5 KB em memória Imagem monocromática em tons de cinzento: Cada pixel é armazenado num byte (0 a 255). Uma imagem em tons de cinzentos ocupa 300 KB em memória Imagem a cores de 8-bits: Cada pixel é armazenado num byte. Suporta 256 cores, com qualidade de cor aceitável. Uma imagem a cores de 8-bits com resolução ocupa 300 KB em memória. Imagem a cores de 24-bits: Cada pixel é representado por três bytes (e.g., RGB). Suporta cores ( ). Uma imagem a cores de 24-bits com resolução ocupa 900 KB em memória Muitas imagens a cores de 24-bits são armazenadas como imagens de 32-bits, sendo o byte suplementar usado para guardar um valor alpha que representa informação de efeitos especiais. 45

46 Arquitecturas Gráficas(1) Dispositivos de Visualização Em comp. gráfica são fundamentais os dispositivos de visualização da imagem gerada. Estes dispositivos podem-se distinguir quanto ao tipo de representação Representação vectorial Representação matricial Ou quanto ao tipo de tecnologia: Monitores (CRT) - raios catódicos Monitores LCD e Plasma Traçadores gráficos (plotters) Impressoras (matriciais, jacto de tinta, laser) 46

47 Arquitecturas Gráficas(2) 47

48 Arquitecturas Gráficas(3) Representação Vectorial Utilização de objectos geométricos Pontos, Polígonos, Planos, Curvas No formato vectorial, os objectos são definidos no domínio contínuo. Operações geométricas sem perda de precisão Recorrem a representações geométricas em vírgula flutuante Complexidade de processamento f ( nº vértices / vectores ) 48

49 Arquitecturas Gráficas(4) Representação Vectorial (cont.) Requer hardware menos exigente Ideal para representações geométricas 49

50 Arquitecturas Gráficas(5) Representação Matricial ou raster Representação por amostragem numa grelha regular Permite a representação de objectos complexos como imagens Cada elemento é designado de pixel (Picture Element) e representa de forma directa ou indirecta (indexação) uma propriedade nesse ponto. Propriedades: Cor, Intensidade de ressonância, Intensidade de reflexão (ultra-sons), 50

51 Arquitecturas Gráficas(6) Representação Matricial ou raster (cont) A representação matricial é a mais comum (dada a sua flexibilidade) Utilizada nos mais diversos domínios Complexidade de processamento = f ( nº de pixels ) 51

52 Arquitecturas Gráficas(7) Representação Matricial ou raster (cont) Características associadas à representação discreta Dispositivos matriciais (requerem operações de rasterização) Cor (RGB), Intensidade, Índice de Cor, Alfa Interpolação Coordenadas X e Y (precisão limitada) Aliasing 52

53 Arquitecturas Gráficas(8) Representação Matricial ou raster (cont) Requer mais memória Mais correcta para representações do Mundo 53

54 Arquitecturas Gráficas(9) Refrescamento da imagem Mínimo de vezes necessário à persistência da imagem na retina do ser humano (> 15 vezes por segundo 15Hz) Para simplificar a electrónica destes subsistemas é normal usar-se o valor da corrente alterna (50Hz). Representação Vectorial vs. Quadrícula A Computação Gráfica tem como objecto a criação de imagens em quadrícula. O Processamento de Imagem tem como objecto a manipulação de mapas de imagens (mapas de quadrículas) e a sua transformação em representações vectoriais. 54

55 Tecnologia Os componentes principais de um dispositivo gráfico são: Memória de Imagem (Frame buffer) permite a representação da imagem em memória A imagem a ser visualizada é armazenada como uma matriz de pixels (cada posição na matriz contém a intensidade associada ao pixel correspondente na tela). O tamanho da memória de exibição determina a resolução de cor e a resolução geométrica da imagem. Controlador de vídeo Transfere o conteúdo do frame buffer para o monitor. Para gerar uma imagem os dados devem ser transferidos continuamente, de forma a manter uma imagem estável na tela, reduzindo o efeito de flickering. Este processo designa-se por varrimento (raster scanning). Note-se que processo de transferência implica numa conversão digital-analógica Monitor de visualização CRT LCD 55

56 Tecnologia CRT Cathode Ray Tube Breve História 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT duma forma controlada. 1940, utilização em TV (televisores). Até 2001, dominância no mercado de monitores. Maior fabricante actual: Philips Electronics. Constituição: 1 invólucro de vidro (semelhante a uma garrafa) 1 cátodo (de carga negativa) 3 canhões de electrões, um para cada côr fundamental (RGB) 1 anôdo (de carga positiva) 1 tela com bolbos (ou pontos) de fósforos R (red), G (green), e B (blue). 56

57 Tecnologia CRT Pixel e Resolução Pixel É um trio de 3 bolbos de fósforo, um por cada cor fundamental: R (red), G (green) e B (blue). Fósforo Um fósforo é qualquer material que, quandoexposto a radiação, emite luz visível. Resolução VGA 640x480 SVGA 800x600 XGA 1024x768 57

58 Tecnologia CRT Dot Pitch Intervalo entre bolbos de fósforo. É a distância entre dois pontos de fósforo da mesma côr. Esta distância varia normalmente entre 0.22mm e 0.3mm. 58

59 Tecnologia CRT Formação da Imagem Varrimento Progressivo (progressive scanning) Na figura ao lado, as linhas azuis indicam que o feixe de electrões (ou, melhor, 3 feixes de electrões) faz por estimulação dos fósforos, i.e. o feixe está ligado; As linhas interrompidas representam o retorno do feixe (desligado) ao lado esquerdo da tela; este movimento de retorno ou reposicionamento do canhão chama-se retraço horizontal; A linha verde indica o retraço vertical, o qual acontece no final da última linha da tela, com retorno do feixe (desligado) ao início da primeira linha. Frame Imagem formada pelo feixe de electrões durante o varrimento completo da tela de fósforos. 59

60 Tecnologia CRT Taxa de Refrescamento Taxa de refrescamento: É o número de frames por segundo geradas no monitor. Hertz (Hz): Unidade de medida da taxa de refrescamento. Efeito de flickering : 75 Hz é a taxa de refrescamento miníma recomendável para um monitor CRT. Evita-se assim o efeito de flickering. Taxa de refrescamento máxima: VSF = HSF / nº de linhas horizontal x 0.95 em que: VSF = vertical scanning frequency (refresh rate) HSF = horizontal scanning frequency Exemplos para monitor com HSF = 96 Khz: Para resolução = 1280x1024, VSF = / 1024 x 0.95 = 89 Hz Para resolução = 1600x1200 tem-se VSF = / 1200 x 0.95 = 76 Hz 60

61 Tecnologia LCD - Pixel Os cristais líquidos foram descobertos no final do séc. XIX pelo botânico Frieddrich Reinitzer. Os cristais líquidos são substâncias quase transparentes que exibem propriedades quer da matéria sólida quer da matéria líquida. A passagem de luz através dos cristais líquidos provoca o alinhamento das suas moléculas - uma propriedade dos sólidos. Em 1960, descobriu-se que a carga eléctrica mudava o seu alinhamento molecular, e consequentemente a forma como a luz passava através dos cristais - uma propriedade dos líquidos. LCD é uma tecnologia transmissiva. Um LCD funciona pela variação de quantidades de luz branca de intensidade fixa através dum filtro. Os elementos RGB dum pixel são obtidos pela filtragem da luz branca. Os cristais líquidos são normalmente compostos orgânicos que consistem de moléculas semelhantes aos cones do olho humano. Portanto, os cristais líquidos funcionam como sensores de cor quando são estimulados pela luz. 61

62 Tecnologia LCD - Monitor de matriz passiva (DSTN) Há 2 tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz passiva (DSTN) e matriz activa (TFT). Os LCDs de matriz passiva compreende um conjunto de camadas. Tem 2 camadas de vidro chamadas substractos. A cada substracto liga-se um conjunto de eléctrodos transparentes constituídos por material condutor, que é normalmente o indium-tin oxide. Os eléctrodos dum substracto são perpendiculares aos eléctrodos do outro substrato. Há, pois, eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna. As linhas e as colunas estão ligadas a circuitos integrados que controlam quando uma carga a uma columa e uma linha particulares. Os cristais líquidos estão ensaduichados entre os dois substractos. A activação dum pixel (que está localizado na intersecção duma coluna com uma linha) é feita pela aplicação duma voltagem por parte do circuito integrado associado à coluna respectiva. 62

63 Tecnologia LCD - Monitor de matriz activa (TFT) Os LCDs de matriz activa dependem basicamente dos thin film transistors (TFT). Os TFT são transistores (comutadores) e condensadores minúsculos. Estão dispostos matricialmente num substracto de vidro - um transistor por cada cor (RGB) de cada pixel. O endereçamento dum pixel é feito por activação da sua linha, após o que se aplica uma carga à sua coluna. Tendo em conta que todas as outras linhas estão desactivadas, só o condensador daquele pixel recebe a carga, que a mantém até ao próximo ciclo de refrescamento. Os TFTs controlam a intensidade dos elementos de cor de cada pixel. O tempo de resposta é de 25ms para a matriz activação passo que é de 300ms. 63

64 Tecnologia Arquitectura(1) Simples (sem processador gráfico) Neste caso o controlador de vídeo encarrega-se de transferir os dados disponíveis na zona de memória que contém a imagem (frame buffer) para o monitor. No entanto é da responsabilidade do CPU o controlo dessa transferência. 64

65 Tecnologia Arquitectura(2) Com processador gráfico Neste caso existe um coprocessador dedicado, permitindo libertar o CPU destas tarefas. 65

66 Tecnologia Arquitectura(3) Processador gráfico Hardware especializado Usa normalmente memória separada da usada pelo sistema Uso de paralelismo para atingir alto desempenho Permite libertar o CPU das tarefas de visualização incluindo Transformações Rotação, translação, escala, etc Recorte (clipping) Projecção (3D 2D) Mapeamento de texturas Rasterização Amostragem de curvas e superfícies paramétricas 66

67 Tecnologia Arquitectura(4) Dado o aumento da capacidade/ velocidade dos computadores, as placas de vídeo (processador gráfico) estão cada vez a substituir as funções gráficas dos programas, isto é, implementar directamente estas funções no hardware ou no software da própria placa. Década de 70 Apenas funcionalidades disponíveis para pontos e linhas Década de 80 Funcionalidades associadas a cor e preenchimento de área. Década de 90 Surgem as placas gráficas 3D, capazes de operar directamente com coordenadas tridimensionais. São ainda incorporadas funcionalidades de restituição da imagem e mapeamento de texturas (à custa de um aumento significativo de memória). 67