Computação Gráca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico

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1 Computação Gráca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico SCC Computação Gráca Prof. Fernando V. Paulovich paulovic@icmc.usp.br Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) Universidade de São Paulo (USP) 3 de maio de / 91

2 Introdução à Computação Gráca e Histórico Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 2 / 91

3 Computação Grá ca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico Introdução à Computação Grá ca e Histórico Introdução A nal, o que é Computação Grá ca? 3 / 91

4 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca Sub-área da Ciência da Computação Técnicas para a geração, exibição, manipulação e interpretação de modelos de objetos e de imagens utilizando o computador Modelos e imagens criados a partir de dados do mundo real converter dados em imagens 4 / 91

5 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca Sub-área da Ciência da Computação Técnicas para a geração, exibição, manipulação e interpretação de modelos de objetos e de imagens utilizando o computador Modelos e imagens criados a partir de dados do mundo real converter dados em imagens Usuários em disciplinas diversas Ciência, engenharia, arquitetura, medicina, arte, publicidade, lazer (cinema, jogos,...) Enorme gama de aplicações 5 / 91

6 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca em Números Halo 3 faturamento de lançamento US$ 170mi 6 / 91

7 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca em Números Halo 3 faturamento de lançamento US$ 170mi O Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3 dias, US$ 60 milhões na estréia 7 / 91

8 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca em Números Halo 3 faturamento de lançamento US$ 170mi O Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3 dias, US$ 60 milhões na estréia Avatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu nal de semana de estréia, US$ 70 milhões na estréia 8 / 91

9 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca em Números Halo 3 faturamento de lançamento US$ 170mi O Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3 dias, US$ 60 milhões na estréia Avatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu nal de semana de estréia, US$ 70 milhões na estréia Grand Theft Auto IV (GTA IV) vendeu 3,6 milhões de cópias no dia da estréia, somando US$ 310 milhões 9 / 91

10 Introdução à Computação Gráca e Histórico Computação Gráca em Números Halo 3 faturamento de lançamento US$ 170mi O Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3 dias, US$ 60 milhões na estréia Avatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu nal de semana de estréia, US$ 70 milhões na estréia Grand Theft Auto IV (GTA IV) vendeu 3,6 milhões de cópias no dia da estréia, somando US$ 310 milhões O livro Harry Potter e as Relíquias da Morte somou US$ 220 milhões de dólares em 24 horas / 91

11 Introdução à Computação Gráca e Histórico Jogos Mais Lucrativos: Wedbush Morgan Securities 1 Guitar Hero (Activision Blizzard) US$992 milhões 2 Mario Brothers (Nintendo) US$761 milhões 3 Rock Band (Electronic Arts) US$662 milhões 4 Call Of Duty (Activision Blizzard) US$446 milhões 5 Wii Fit (Nintendo) US$407 milhões 6 Grand Theft Auto (Take-Two Interactive) US$361 milhões 7 Madden Football (Electronic Arts) US$312 milhões 8 Wii Play (Nintendo) US$261 milhões 9 LEGO (LucasArts) US$224 milhões 10 Star Wars (LucasArts) US$180 milhões 11 Sonic (Sega) US$163 milhões 12 Gears Of War (Microsoft) US$146 milhões 13 The Sims (Electronic Arts) US$143 milhões 14 Tom Clancy (Ubisoft) US$130 milhões 15 Pokemon (Nintendo) US$119 milhões Aprox. 16% do PIB do Uruguai em 2009 (US$31.5 bilhões) 11 / 91

12 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico (1963) Sketchpad Ivan Sutherland apresenta o sistema que vinha desenvolvendo p/ seu Ph.D. no MIT Programa p/ desenho e manipulação de elementos geométricos na tela de um monitor de vídeo (primitivas grácas 2D) Entrada via caneta ótica (light pen), saída no monitor de vídeo (tecnologia vetorial) Primeira tentativa de usar um monitor de vídeo como dispositivo de interação, bem como de usar o computador para gerar e exibir guras! 12 / 91

13 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Ivan Sutherland na console do TX-2, exibindo o Sketchpad (MIT, 1963) 13 / 91

14 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico (dispositivos vetoriais) Primórdios Dispositivos de Exibição Natureza analógica: vector graphics Imagens formadas pelo desenho de segmentos de reta (traçado de contornos) Tecnologia cara Ausência de cores Primeiros programas de CAD Contexto: pouca interação com o usuário, uso restrito (equipamento caro!) 14 / 91

15 Introdução à Computação Gráca e Histórico CRT - vetorial 15 / 91

16 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Década de 70 Disseminação de aplicativos Evolução do hardware Surgimento da tecnologia matricial (raster graphics) Imagens formadas por matrizes de pontos, ou pixels: picture elements Baixo custo, uso de cores, áreas preenchidas Aliasing Aumento da capacidade de processamento Melhores dispositivos de interação: mouse (1968),... Novos paradigmas em HCI: janelas 16 / 91

17 Introdução à Computação Gráca e Histórico CRT - matricial 17 / 91

18 Introdução à Computação Gráca e Histórico Pixels Cada pixel corresponde a uma pequena área da imagem armazenados no frame buer 18 / 91

19 Introdução à Computação Gráca e Histórico Pixels e o Frame Buer 19 / 91

20 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Década de 80 Pacotes grácos Portabilidade (independência de dispositivo) Reutilização APIs: GKS, PHIGS, OpenGL Padrões: especicação de uma interface para os programadores de aplicativos independente do S.O. e do sistema gerenciador de janelas. Computação Gráca 3D Principais representações grácas 3D: baseadas em descrições geométricas das superfícies dos objetos 20 / 91

21 Introdução à Computação Gráca e Histórico Sistema Gráco 21 / 91

22 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico: (síntese de imagens) Técnicas para criar mundos 3D no computador Modelagem: criação de uma representação dos objetos Informações geométricas Informações sobre os materiais Informações sobre a fonte de luz e o observador Poligonização: aproximação da descrição geométrica por uma malha de faces poligonais (planares), como triângulos Rendering (e animação): apresentação dos objetos Geração de uma imagem (ou uma seqüência delas) a partir das representações (modelos) Simulação da interação de fontes de luz com as primitivas da cena 22 / 91

23 Introdução à Computação Gráca e Histórico Síntese de Imagens 23 / 91

24 Introdução à Computação Gráca e Histórico Síntese de Imagens 24 / 91

25 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Década de 90 Gama de técnicas estabelecidas em Síntese de Imagens Estratégias clássicas de modelagem: por fronteira, CSG, octrees,... Estratégias para descrição de modelos: varredura, formulações matemáticas para denição interativa de curvas e superfícies (B-splines, NURBS,...) Estratégias alternativas de modelagem: fractais, partículas,... Estratégias de rendering sosticadas: ray tracing, radiosidade, modelos físicos de iluminação, mapeamento de textura... também amadureceram 25 / 91

26 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Marcos históricos LucasFilm, Pixar Ed Catmull, University of Utah Patches bicúbicos (representação de superfícies), z-buer (remoção de superfícies ocultas), mapeamento de texturas início da década de 70 Loren Carpenter, Boeing Modelagem por fractais montanhas, nuvens, água... início da década de 80 Robin Cook, Cornell University Novo modelo de reexão de luz, mais realista, shade trees (linguagem para rendering) - década de 80. Pixar's RenderMan Oscar em março de 2001 for signicant advancements to the eld of motion picture rendering 26 / 91

27 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico 27 / 91

28 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico 28 / 91

29 Introdução à Computação Gráca e Histórico Histórico Década de 90 Consolidação da Visualização Computacional como disciplina Conceito de voxels: volume elements Computação Gráca Volumétrica Modelos grácos utilizando voxels (ou tetraedros) como primitivas Cena: descrita como um volume de voxels ou tetraedros Altíssimos requisitos de memória e processamento Futuro: rendering de superfícies x rendering volumétrico? Realidade Virtual Mundos virtuais Interação imersiva 29 / 91

30 Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 30 / 91

31 Computação Gráca Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 31 / 91

32 Computação Gráca Computação Gráca Síntese de imagens Técnicas para gerar representações visuais a partir de especicações geométricas e de atributos visuais dos seus componentes Modelagem e rendering Objetivo: mundo 3D no computador 32 / 91

33 Computação Gráca Computação Gráca Bíscaro et al., / 91

34 Computação Grá ca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico Computação Grá ca Computação Grá ca 34 / 91

36 Computação Gráca Computação Gráca 36 / 91

38 Computação Gráca Arte por Computador 38 / 91

39 Processamento de Imagens Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 39 / 91

40 Processamento de Imagens Processamento de Imagens Técnicas de transformação de imagens descritas como matrizes de pixels Objetivo Melhorar características visuais (aumentar contraste, melhorar foco, reduzir ruído, eliminar distorções) Extrair elementos de interesse; ou mesmo transformar a imagem, criando efeitos visuais 40 / 91

41 Processamento de Imagens Processamento de Imagens 41 / 91

42 Processamento de Imagens Processamento de Imagens 42 / 91

43 Processamento de Imagens Processamento de Imagens André Balan, / 91

44 Processamento de Imagens Processamento de Imagens Liziér et al., / 91

45 Visão Articial Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 45 / 91

46 Visão Articial Visão Articial Colocar o sentido da visão na máquina 46 / 91

47 Visão Articial Visão Articial Problema extremamente complexo Visão envolve inteligência... Ponto de partida é o problema mais simples de analisar imagens Técnicas para extrair informações de imagens Objetivos: p.ex., extrair modelos geométricos, ou implementar no computador tarefas que requerem habilidade visual Informação não explícita obtida da imagem: por exemplo, obter primitivas geométricas que descrevem elementos contidos na imagem, ou reconhecer padrões 47 / 91

48 Visão Articial Reconhecimento de Digitais padrões Exemplo: um sistema de visão para reconhecer digitais 48 / 91

49 Visão Articial Típico sistema de visão 49 / 91

50 Visão Articial Passo 1 Aquisição 50 / 91

51 Visão Articial Passo 1 Aquisição 51 / 91

52 Visão Articial Passo 2 Pré-Processamento 52 / 91

53 Visão Articial Passo 2 Pré-Processamento 53 / 91

54 Visão Articial Passo 3 Processamento de Imagens 54 / 91

55 Visão Articial Passo 3 Processamento de Imagens 55 / 91

56 Visão Articial Passo 4 Análise de Imagens 56 / 91

57 Visão Articial Passo 4 Análise de Imagens Procurar todos e marcar bifurcações terminações 57 / 91

58 Visão Articial Passo 4 Análise de Imagens Determinar as orientações bifurcações terminações 58 / 91

59 Visão Articial Passo 5 Extração de Características 59 / 91

60 Visão Articial Passo 5 Extração de Características Modelo Matemático Semelhança de Triângulos Combinar as marcações 3 a 3 60 / 91

61 Visão Articial Passo 6 IA/Reconhecimento de Padrões 61 / 91

64 Visualização Computacional Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 64 / 91

65 Visualização Computacional Visualização Computacional Técnicas da CG para representar dado/informação: representações grácas de dados, numéricos ou não Objetivos: facilitar o entendimento de fenômenos complexos e a exploração de diferentes cenários Síntese para gerar as representações visuais, análise (pelo usuário) para extrair informações 65 / 91

66 Visualização Computacional Visualização Hamming 1973: the purpose of computation is insight, not numbers Card et al. 1999: the purpose of visualization is insight, not pictures Principais objetivos desse insight: descoberta, vericação de hipóteses, tomada de decisões, explicação 66 / 91

67 Visualização Computacional Visualização Cientíca x de Informação SciVis: geometria do modelo determinada pelo domínio Modelos geométricos complexos, interpretação intuitiva InfoVis: geometria do modelo atribuída pelo `designer' da representação Modelos simples, interpretação requer treinamento 67 / 91

69 Visualização Computacional Visualização Cientíca 69 / 91

70 Visualização Computacional Visualização Cientíca Vargas et al. ACM Transactions on Graphics, / 91

71 Visualização Computacional Rendering Volumétrico Direto Modelo gerado por DVR: ray casting no Visualization Toolkit Gerado por Danilo Medeiros Eler 71 / 91

72 Visualização Computacional Visualização Cientíca Simulação de escoamento de uidos - A. Castelo et al. 72 / 91

75 Computação Grá ca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico Visualização Computacional Visualização Cientí ca 75 / 91

76 Visualização Computacional Simulação (Comportamento dos Materiais) 76 / 91

78 Visualização Computacional Visualização de Informação 78 / 91

84 Visualização Computacional Table Lens 84 / 91

85 Computação Grá ca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico Visualização Computacional Coordenadas Paralelas 85 / 91

86 Computação Grá ca Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico Visualização Computacional Visualização de Informação Campanha de Napoleão na Rússia (Minard, 1869) - começou com soldados e terminou com / 91

87 Visualização Computacional Visualização de Informação Identicação das causas da epidemia de cólera em Londres (John Snow, 1854) 87 / 91

88 Computação Visual Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 88 / 91

89 Computação Visual Relacionamento entre as áreas Áreas de pesquisa completas que interagem entre si, compartilham técnicas e algoritmos, mas têm o seu próprio conjunto de técnicas e algoritmos 89 / 91

90 Perl da disciplina Sumário 1 Introdução à Computação Gráca e Histórico 2 Computação Gráca Processamento de Imagens Visão Articial Visualização Computacional Visualização Cientíca Visualização de Informação 3 Computação Visual 4 Perl da disciplina 90 / 91

91 Perl da disciplina Perl da Disciplina Ênfase em síntese de imagens Fundamentos Algoritmos de conversão matricial Transformações geométricas, sistemas de coordenadas, transformações entre sistemas Pipeline de visualização Técnicas clássicas de modelagem 3D e rendering Modelos clássicos de iluminação e remoção de superfícies ocultas 91 / 91