Computação Gráfica - 01

Transcrição

1 Universidade Federal do Vale do São Francisco Curso de Engenharia de Computação Computação Gráfica - 01 Prof. Jorge Cavalcanti jorge.cavalcanti@univasf.edu.br

2 Computação Gráfica Programa da disciplina (Teoria) 1. Introdução / Histórico / Conceitos Básicos 2. Percepção Tridimensional 3. Representação de Imagens 4. Sistemas de Coordenadas 5. Transformações Geométricas 6. Projeções Geométricas 7. Sistemas de Cores 8. Curvas e superfícies 9. Representação e modelagem 10. Realismo e Iluminação 11. Animação Página 2 Computação Gráfica Parte 01

3 Computação Gráfica Programa da disciplina (Prática) 1. Introdução a OpenGl/Configuração do Ambiente 2. Tipos de dados/convenções/bibliotecas 3. Desenvolvendo aplicações com a API / Máquina de estados 4. Shapes, linhas, pontos e polígonos 5. Transformações Geométricas 6. Animação / Gerenciamento de Eventos 7. Projeções e 3D 8. Luzes 9. Texturas e transparências Página 3 Computação Gráfica Parte 01

4 Computação Gráfica Bibliografia: AZEVEDO, Eduardo e CONCI, Aura. Computação Gráfica: Teoria e Prática. Rio de Janeiro: Campus, HETEM Jr., Annibal. Fundamentos de Informática: Computação Gráfica. Rio de Janeiro: LTC, COHEN, Marcelo e MANSSOUR, Isabel Harb. OpenGL: Uma abordagem prática e objetiva. São Paulo: Novatec, WRIGHT Jr., Richard., LIPCHAK, Benjamin. OpenGL SuperBible, 4 Ed., Addison-Wesley Professional, Página 4 Computação Gráfica Parte 01

5 Por que estudar Computação Gráfica? Quem quiser trabalhar em áreas afins: Entretenimento Jogos e filmes Visualização Simulação de fenômenos físicos Arte computadorizada Educação e treinamento Processamento de imagens Interfaces Realidade virtual Página 5 Computação Gráfica Parte 01

6 Áreas de atuação Página 6 Computação Gráfica Parte 01

7 Introdução Segundo a ISO (International Organization for Standardization): Computação Gráfica é um conjunto de ferramentas e técnicas para converter dados para ou de um dispositivo gráfico através do computador. É a área que estuda processos computacionais envolvendo modelos geométricos e imagens digitais. Página 7 Computação Gráfica Parte 01

8 Introdução A representação e manipulação de imagem de dados por um computador; Diferentes tecnologias utilizadas para capturar, criar e manipular imagens; Sub-campo da computação que estuda métodos de síntese e manipulação digital de conteúdo visual. Página 8 Computação Gráfica Parte 01

9 Áreas Relacionadas Síntese de Imagens (Visualização Científica ou Computacional) Processamento de Imagens Análise de Imagens Página 9 Computação Gráfica Parte 01

10 Síntese de Imagens Técnicas destinadas à criação e manipulação de imagens artificiais a partir de modelos matemáticos e geométricos. É freqüentemente confundida com a própria Computação Gráfica. Criação de imagens abstratas; Visualização de modelos matemáticos; Geração de gráficos matemáticos e artísticos Edição de desenhos e simulação Página 10 Computação Gráfica Parte 01

11 Síntese de Imagens 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. Página 11 Computação Gráfica Parte 01

12 Análise de Imagens Considera as imagens digitais e as analisa para obtenção de características desejadas. Especificação dos componentes de uma imagem a partir de sua representação visual. Produz uma informação não pictórica da imagem a partir da própria imagem (Ex.: as primitivas geométricas que compõem a imagem, mapas térmicos, densidades). Página 12 Computação Gráfica Parte 01

13 Processamento de Imagens Envolve técnicas de transformação de imagens visando melhorar a qualidade da imagem (foco, ruído, contraste) Utiliza técnicas de análise e síntese para manipular imagens obtidas do mundo real. Montagens de efeitos especiais Processamento de imagens de satélites e aeronaves Retoques de fotografias O processamento de imagens parte de imagens já prontas para serem visualizadas, as quais são transferidas para o computador por mecanismos diversos - digitalização de fotos, tomadas de uma câmera ou imagens de satélite - para serem manipuladas visando diferentes objetivos. Página 13 Computação Gráfica Parte 01

14 Áreas Relacionadas Na última década somou-se a esse contexto a área de Visualização de Dados, também chamada Visualização Computacional, que usa técnicas de Computação Gráfica para representar 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, dentre outras. Nelas, o que existe em comum é que a representação gráfica (superfícies, partículas, ícones) são geradas automaticamente a partir do conjunto de dados. Ao usuário cabe definir parâmetros e atributos da imagem para melhor navegar seu conjunto de dados. Dessa maneira, a visualização de dados partilha de características da síntese, do processamento e da análise de dados. Página 14 Computação Gráfica Parte 01

15 Histórico 1950 Whirlwind (MIT) Equipamento com finalidades acadêmicas e, possivelmente, militares Sketchpad Teclado e caneta ótica para desenhar. Página 15 Computação Gráfica Parte 01

16 Histórico 1965 Primeiros sistemas CAD/CAM Indústrias Automobilística e Aeroespacial 1970 Novos Algoritmos e CI s Livros sobre o tema Wokstations (estações de trabalho) Preços em queda e evolução dos equipamentos, maturidade dos 2000 Popularização do sistemas. PC/Web Aplicativos de fácil uso 1990 Evolução dos sistemas 3D Realidade virtual, multimídia, placas gráficas, API s. Grandes produções da Indústria cinematográfica Página 16 Computação Gráfica Parte 01

17 Histórico Progressos Obtidos nos Anos 60 Visualização malha de arame Cálculo de linhas visíveis Iluminação ambiente Iluminação difusa Página 17 Computação Gráfica Parte 01

18 Histórico Progressos Obtidos nos Anos 70 Coloração Gouraud difusa Coloração Gouraud especular Coloração Phong Superf. curvas e col. Phong Página 18 Computação Gráfica Parte 01

19 Histórico Progressos Obtidos nos Anos 80 Modelos de iluminação Mapeamento de texturas Iluminação através de texturas Reflexões através de texturas Página 19 Computação Gráfica Parte 01

20 Filme Pearl Harbour Legenda: - sintético - retocado - real Página 20 Computação Gráfica Parte 01

21 Histórico Mais história em: Computer Graphics Timeline: history/historia/ Alternativo: Página 21 Computação Gráfica Parte 01

22 Revisão Matemática (breve) Gráficos 2D X Gráficos 3D A principal diferença entre uma imagem 2D para um 3D é a sensação de profundidade da tridimensional. Um imagem 3D nada mais é que uma projeção de objetos 3D numa imagem bidimensional, obtida através de técnicas matemáticas e geométricas. As figuras abaixo, embora feitas em duas dimensões, fazem nosso cérebro ter a sensação de que se tratam de três dimensões. Página 22 Computação Gráfica Parte 02

23 Revisão Matemática Sistemas de Coordenadas Um sistema de coordenadas é composto por eixos perpendiculares entre si, sendo um para cada dimensão do espaço. O sistema mais simples é o cartesiano bidimensional, cujos eixos são denominados pelo par ordenado (x,y). Para três, dimensões, acrescenta-se o componente z. Página 23 Computação Gráfica Parte 02

24 Revisão Matemática Sistemas de Coordenadas Algumas representações são facilitadas se for utilizado o sistema polar (r, ) para plano; ou o sistema cilíndrico (r,, z) ou esférico (r,, ) para o espaço em 03 dimensões. Página 24 Computação Gráfica Parte 02

25 Revisão Matemática Conversão de Coordenadas Polar X Cartesiana Esférica X Cartesiana Cilíndrica X Cartesiana r = x 2 + y 2 + z 2 =arc cos z 2 / x 2 + y 2 + z 2 Quanto vale Z? =arc tan Y/X Página 25 Computação Gráfica Parte 02

26 Revisão Matemática Sistemas de Coordenadas Tabela de conversão 2D 3D Polar -> Cart Cart -> Polar Esf -> Cart Cil - > Cart x = r cos r = (x 2 + y 2 ) 1/2 x = r cos sen x = r cos y= r sen = arc tan y/x y = r sen cos y= r sen z = r cos z = z Página 26 Computação Gráfica Parte 02

27 Percepção Tridimensional Entender a forma como percebemos a profundidade em imagens 2D: Evita erros na confecção da imagem Possibilita uma interação amigável com objetos em ambientes virtuais Limitação tecnológica que nos fará usuários de telas de computador com imagens 2D Percepção de espacialidade Capacidade de distinguir a forma, as cores, a textura e a relação espacial existente entre os objetos de uma porção do mundo real 27

28 Percepção Tridimensional Segundo Stuart (1996), há três categorias de estímulos visuais usados pelo cérebro para formar uma imagem 3D: Informações monoculares Informações óculo-motoras Informações estereoscópicas 28

29 Percepção Tridimensional Informações monoculares Inerentes à imagem formada na retina Também chamada de informações de profundidade na imagem ou informações estáticas de profundidade Exemplos: 29

30 Percepção Tridimensional Perspectiva Resultado da aparente diminuição dos tamanhos e das distâncias entre os objetos, à medida que o observador se distancia destes Largamente usado para expressar cenas 3D em superfícies planas (papel, monitor) Descoberta da visão estereoscópica Um olho vê a cena 30

31 Percepção Tridimensional Conhecimento Prévio do Objeto Serve tanto para determinar a distância absoluta a partir do observador, quanto as distâncias relativas entre os objetos Cubo Galho Novo Objeto Conhecido Única forma Conhecido Infinidade de Formas Desconhecido??? 31

32 Percepção Tridimensional Oclusão Informação da posição relativa dos objetos Também chamado de interposição ou interrupção de contorno Obstrução da visão de um objeto por um outro que está mais próximo do observador e sobre uma mesma direção de visão Quando um objeto A obscurece um objeto B, o cérebro sabe que o objeto A está mais próximo do que o objeto B 32

33 Percepção Tridimensional Densidade das Texturas Baseia-se no fato de que muitos objetos possuem em sua aparência algum tipo de padrão com uma certa regularidade À medida que os padrões aparecem mais densos e menos detalhados, mais distantes estarão do observador 33

34 Percepção Tridimensional Densidade das Texturas (cont.) Baseia-se no fato de que muitos objetos possuem em sua aparência algum tipo de padrão com uma certa regularidade Percepção de Movimento: movimento de esferas 34

35 Percepção Tridimensional Variação da Reflexão da Luz A mudança na intensidade da luz refletida ao longo de uma superfície de um objeto fornece informações sobre a forma e a curvatura da superfície desse objeto 35

36 Percepção Tridimensional Sombreamento Efeito útil na determinação na posição de um objeto em relação a um piso abaixo dele ou na definição relativa entre objetos. 36

37 Percepção Tridimensional Informações ótico-motoras Fornecidas pelo movimento dos olhos, produzidos pelos dois conjuntos de músculos do globo ocular Tipos: 37

38 Percepção Tridimensional Informações Visuais Óculo-motoras Fornecidas pelos movimentos dos olhos. Acomodação Os músculos ciliares dos olhos relaxam ou contraem para mudar o formato do cristalino (lente), alterando o foco dos objetos projetados na retina em função da distância deles com o observador. Convergência Considera o grau de rotação dos olhos ao longo do eixo da visão quando o objeto é focado, para obter informações sobre a posição e a distância. Página 38 Computação Gráfica Parte 01

39 Percepção Tridimensional Informações Visuais Estereoscópicas Fornecidas pelas posições dos olhos. Cada um vê uma imagem de forma diferente (disparidade binocular). A partir dessas diferenças, o cérebro calcula a distância relativas entre os objetos. Capacidade explorada para aparatos que simulam realidade virtual e ambientes imersivos (estereoscopia). Página 39 Computação Gráfica Parte 01

40 Percepção Tridimensional Como fornecer uma sensação de Tridimensionalidade??? O sistema deve gerar, ao mesmo tempo, duas imagens diferentes, correspondendo às visões de cada um dos olhos 40

41 Percepção Tridimensional Como fornecer uma sensação de Tridimensionalidade??? 41

42 Percepção Tridimensional Como fornecer uma sensação de Tridimensionalidade??? 42

43 Percepção Tridimensional Como fornecer uma sensação de Tridimensionalidade??? 43

44

45

46 Percepção Tridimensional Teste sua percepção 3D: Página 46 Computação Gráfica Parte 01