3 3 Bibliografia Computação Gráfica Aula 01 - Introdução Vinicius Graciano Santos vgs@dcc.ufmg.br Sumário Introdução Computação Gráfica Expectativas e Objetivos do Curso Whirlwind, Sage e Sketchpad Universidade de Utah Empresas Comerciais Monitores de Vídeo Picture Elements Rasterização Objetos em 3D Percepção Tridimensional Perspectiva Conhecimento Prévio e Oclusão Densidade de Texturas Sombreamento e Sombras Efeitos Atmosféricos Profundidade de Campo Estereoscopia Bibliografia 2 Computação Gráfica. Eduardo Azevedo e Aura Conci. vol. 1 (2003) Real Time Rendering. Tomas Akenine-Moller, Eric Haines e Naty Hoffman. Terceira edição (2008)
6 6 Bibliografia Introdução Computação Gráfica Computação Gráfica É a ciência e a arte da comunicação visual via uma tela de computador e seus dispositivos de interação. Síntese de imagens baseada em dados e modelos. Área de estudo interdisciplinar: ciência da computação, design, engenharia, física, matemática, etc. Mathematics for 3D Game Programming and Computer Graphics. Eric Lengyel. Terceira edição (2011) Introdução Computação Gráfica 3 Introdução Computação Gráfica 5 Síntese Computação Gráfica Modelagem Dados Modelos Imagem Processamento Design Dados Modelos Imagem Processamento Digital de Imagens Análise Visão Computacional
10 Introdução Expectativas do Curso Introdução Objetivos do Curso Exemplos do que você irá aprender nesta disciplina: Hardware gráfico Transformações e projeções geométricas Modelos de iluminação Shaders Objetivo Principal Proporcionar aos alunos uma visão geral dos fundamentos da área de computação gráfica Exemplos do que você não irá aprender nesta disciplina: Programas de modelagem e animação (Blender, 3DS Max, etc) Programas de edição de imagens (Photoshop, GIMP, etc) Métodos básicos por trás das engines e programas gráficos Possibilitar o aprendizado de técnicas avançadas Motores para jogos (Unity, UDK, etc) Mas podem ser utilizados para exemplificar algum tópico... 7 Sketchpad (Ivan Sutherland 1963) 8 (a) Whirlwind (MIT 1945) (b) SAGE (US Navy 1958) (c) Light Pen (SAGE) (d) Boeing Man (William Fetter 1966)
Universidade de Utah (1968) Primeira Animação (Catmull & Parke 1972) (a) Texture Mapping (Catmull 1974) (b) Shading (Blinn 1977) (c) Facial Animation (Parke 1974) (d) Bump Mapping (Blinn 1978) Empresas Comerciais 12 Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) (a) ILM (1975) (b) Pixar (1986) (c) Sierra Entertainment (1979) (d) Id Software (1991) Wireframe 15
Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Wireframe com brilho baseado na profundidade Remoção de linhas ocultas Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) 15 Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) 15 Iluminação constante 15 Iluminação facetada 15
Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Gouraud shading Phong shading Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) 15 Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) 15 Patches bicúbicos 15 Modelos avançados de iluminação 15
Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) Mapeamento de texturas Bump mapping e texturas projetivas Evolução entre 1960 1980 (Pixar Shutterbug & Renderman) 15 Atualmente Os Vingadores (2012) - VisualFX Breakdown 15 Reflexões 15 youtube.com/ilmvisualfx
20 Como são formadas as imagens na tela de um computador? Monitores de Vídeo Varredura Aleatória Varredura Fixa Monitores de Vídeo 18 Conversão entre gráficos 19 Varredura Aleatória Gráficos vetoriais Objetos são representados por conjuntos geométricos: Retas Curvas Polígonos. Eficiência depende do número de objetos. Não propensa a serrilhados Varredura Fixa Gráficos raster/matriciais Objetos são amostrados em uma grade regular: Picture elements (pixels) Matrizes de pixels Frame buffer. Eficiência independe do número de objetos. Propensa a serrilhados Gráficos Vetoriais Rasterização Gráficos Raster Observações: Monitores de varredura aleatória estão obsoletos para CG. Monitores atuais podem apresentar outros padrões de varredura fixa. Reconhecimento de Padrões
Picture Elements Picture Elements Picture Element (Pixel): Um ponto físico em um gráfico raster/matricial. Geralmente é representado por três ou quatro canais (RGB ou RGBA). Cada canal possui 8 bits (0 255 em decimal). Modelo aditivo de cor: COR = 01101110 }{{} 01101100 }{{} 11001101 }{{} = 110R + 108G+205B 110 108 205 Tamanho de uma imagem de 800 600 pixels com três canais: (800 600 pixels) (8 bits) (3 canais) = 11520000 bits 1.36 MBytes Picture Elements Modo de cor direto: 22 Picture Elements Modo de cor indexado: Pixels vistos através de um microscópio 23 Os valores de cada pixel são armazenados diretamente na matriz. Os valores de cada pixel são armazenados indiretamente na matriz. Ocupa muito espaço se houver poucas cores na imagem. Ocupa muito espaço se houver muitas cores na imagem. Imagem Direta 253 253 253 253 253 253 255 255 255 255 255 255 99 99 99 99 99 99 253 22 253 253 22 253 255 122 255 255 122 255 99 192 99 99 192 99 253 253 253 253 253 253 255 255 255 255 255 255 99 99 99 99 99 99 253 51 253 253 51 253 255 51 255 255 51 255 99 51 99 99 51 99 253 253 51 51 253 253 255 255 51 51 255 255 99 99 51 51 99 99 253 253 253 253 253 253 255 255 255 255 255 255 99 99 99 99 99 99 (6 6 pixels) (8 bits) (3 canais) = 864 bits Imagem Indexada 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 0 2 2 2 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 0 1 2 Paleta (51, 51, 51) (22, 122, 192) (253, 255, 99) (6 6 pixels) (2 bits)+(3 cores) (3 canais) (8 bits) = 144 bits 25
Profundidade de Cor Profundidade de Cor Profundidade de Cor (quantização): Número de bits em cada canal Número total de bits utilizado para representar uma cor Cuidado: várias definições! bpp - bits por pixel bpc - bits por canal bpc - bits por cor bps - bits por sample (amostra) Exemplos: Monocromático: 1 bpp Escala de cinza: 8 bpp High color: 16 bpp - 4 bpc RGBA True color: 24 bpp - 8 bpc RGB Observação: N bits podem representar 2 N valores diferentes. 1 bpp 2 cores Profundidade de Cor 26 Profundidade de Cor 2 bpp 4 cores 3 bpp 8 cores
28 Profundidade de Cor Profundidade de Cor 4 bpp 16 cores 5 bpp 32 cores Profundidade de Cor Profundidade de Cor Dither Dither (dithering): Padrão aplicado com o intuito de minimizar o erro de quantização na ausência de bits suficientes para representar uma imagem. Representa mais cores com menos bits. Trade-off entre resolução e quantização. Efeito baseado na percepção humana. Bastante utilizado por jornais para economia na impressão. 8 bpp 256 cores
Profundidade de Cor Dither Profundidade de Cor Dither 1 bpp 2 cores (SEM DITHER) 1 bpp 2 cores (COM DITHER) Profundidade de Cor Dither Profundidade de Cor Dither 2 bpp 4 cores (SEM DITHER) 2 bpp 4 cores (COM DITHER)
31 31 Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham Exemplo: Rasterizar uma linha do ponto (x0, y0) a (x9, y5). O algoritmo de Bresenham rasteriza uma linha em uma grade regular. Utiliza apenas aritmética inteira mais eficiente Todas as placas de vídeo implementam alguma versão desse algoritmo. Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham 30 Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham 31 O primeiro pixel é fácil: (x0, y0) Qual pixel deve ser o próximo? (x1, y0) ou (x1, y1)?
31 31 Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham Ache a distância de y0 e y1 para a reta e pegue a mais próxima. O processo se repete até chegar ao pixel (x9, y5). Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham 31 Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham 31 O processo se repete até chegar ao pixel (x9, y5). O processo se repete até chegar ao pixel (x9, y5).
32 32 Rasterização de Linhas Algoritmo de Bresenham Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento O processo se repete até chegar ao pixel (x9, y5). Exemplo: Rasterizar um triângulo com preenchimento. Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento 31 Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento 32 Execute simultaneamente o algoritmo de Bresenham para as duas linhas que vão de cima para baixo. Execute simultaneamente o algoritmo de Bresenham para as duas linhas que vão de cima para baixo.
32 32 Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento Preencha os pixels horizontalmente. O processo se repete até completar o triângulo. Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento 32 Rasterização de Triângulos Algoritmo de Bresenham com Preenchimento 32 O processo se repete até completar o triângulo. O processo se repete até completar o triângulo.
33 33 Rasterização de Polígonos Triangulação Rasterização de Polígonos Triangulação Para rasterizar um polígono, separe-o em triângulos. Para rasterizar um polígono, separe-o em triângulos. Todo polígono com N arestas pode ser triangulado em N 2 triângulos. Geometria computacional Rasterização de Polígonos Triangulação 33 Rasterização de Polígonos Triangulação 33 Para rasterizar um polígono, separe-o em triângulos. Todo polígono com N arestas pode ser triangulado em N 2 triângulos. Geometria computacional Para rasterizar um polígono, separe-o em triângulos. Todo polígono com N arestas pode ser triangulado em N 2 triângulos. Geometria computacional Rasterize cada triângulo com o algoritmo de Bresenham. Rasterize cada triângulo com o algoritmo de Bresenham. Atenção: As arestas internas não existem no polígono original, logo elas devem ser coloridas com a cor de preenchimento.
34 34 Rasterização de Curvas Rasterização de Curvas Para rasterizar uma curva qualquer: Para rasterizar uma curva qualquer: Aproxime a curva por um polígono. Rasterização de Curvas 34 Rasterização de Curvas 34 Para rasterizar uma curva qualquer: Para rasterizar uma curva qualquer: Aproxime a curva por um polígono. Aproxime a curva por um polígono. Triangule ou tessele o polígono. Triangule ou tessele o polígono. Rasterize os triângulos.
36 37 Rasterização de Curvas Objetos em 3D Para rasterizar uma curva qualquer: Aproxime a curva por um polígono. Triangule ou tessele o polígono. Rasterize os triângulos. Fim! Placa de Vídeo: Basicamente, a placa de vídeo é um hardware especializado em rasterizar triângulos em uma grade bidimensional. Dezenas, centenas, milhares, milhões de triângulos. Triângulos são objetos naturalmente de duas dimensões. Como é possível renderizar um objeto de três dimensões? 34 Objetos em 3D 35 3D é uma ilusão! 3D é uma ilusão: Você nunca jogou um jogo virtual em 3D! Você nunca modelou um personagem virtual em 3D! Sua placa de vídeo não desenha gráficos 3D! Tudo é feito em 2D! Seu cérebro é enganado para achar que os objetos são 3D!
Objetos em 3D Percepção Tridimensional Percepção de Profundidade: Humanos possuem a habilidade visual de perceber, com relativa facilidade, a profundidade em imagens bidimensionais. Informações monoculares e binoculares (estereoscópicas). Existem vários tipos de informações de profundidade, mas vamos exemplificar apenas alguns. Isso não é um golfinho em 3D São vários triângulos 2D com cores diferentes Percepção Tridimensional Perspectiva: 38 Percepção Tridimensional Perspectiva: 40 Objetos distantes são menores do que objetos próximos. Objetos distantes são menores do que objetos próximos. Objetos orientados sobre o ângulo de visão são mais rasos. Objetos orientados sobre o ângulo de visão são mais rasos.
Percepção Tridimensional Percepção Tridimensional Conhecimento Prévio e Oclusão: Ajudam a determinar a forma, as dimensões e a ordenação dos objetos em relação à profundidade. Conhecimento Prévio e Oclusão: Ajudam a determinar a forma, as dimensões e a ordenação dos objetos em relação à profundidade. Qual objeto está na frente? Qual objeto está na frente? Percepção Tridimensional 42 Percepção Tridimensional 42 Conhecimento Prévio e Oclusão: Ajudam a determinar a forma, as dimensões e a ordenação dos objetos em relação à profundidade. Conhecimento Prévio e Oclusão: Ajudam a determinar a forma, as dimensões e a ordenação dos objetos em relação à profundidade. Triângulo cortado... Qual objeto está na frente?
Percepção de Profundidade Percepção de Profundidade Densidade das Texturas: Variações nas texturas em relação ao espaço indicam profundidade. Densidade das Texturas: Variações nas texturas em relação ao espaço indicam profundidade. Percepção de Profundidade 43 Percepção de Profundidade 43 Sombreamento (shading): Variação na intensidade da iluminação de acordo com a distância e curvatura dos objetos. Sombreamento (shading): Variação na intensidade da iluminação de acordo com a distância e curvatura dos objetos.
Percepção de Profundidade Percepção de Profundidade Sombras: Criadas por objetos que ocludem a luz. Auxiliam a compreender a profundidade de maneira contínua. Percepção de Profundidade Efeitos Atmosféricos: A interação da luz com partículas no ar reduz o contraste e altera o matiz de objetos muito distantes. 45 Percepção de Profundidade Efeitos Atmosféricos: A interação da luz com partículas no ar reduz o contraste e altera o matiz de objetos muito distantes.
49 Percepção de Profundidade Profundidade de Campo: Objetos fora de foco ficam embaçados. Geralmente estão muito próximos ou muito longe da câmera. Percepção de Profundidade Profundidade de Campo: Objetos fora de foco ficam embaçados. Geralmente estão muito próximos ou muito longe da câmera. Percepção de Profundidade Estereoscopia: Técnica utilizada para aumentar a percepção da profundidade a partir da análise de duas imagens obtidas em pontos diferentes. 48 48