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2. Dispositivos de Visualização

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Antonio L. BajuelosDepartamento de Matemática

Universidade de Aveiro

Resolução Gráfica? Virtualmente todos os dispositivos de I/O gráficos usam

uma malha rectangular de posições endereçáveis(rectângulo de visualização).Def A resolução gráfica de um dispositivo é o número deDef. A resolução gráfica de um dispositivo é o número deposições (ou pontos, ou pixels) horizontais e verticais queele pode distinguir.

? Existem 4 parâmetros que definem a resolução? ndh - o número de posições endereçáveis

horizontalmente

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horizontalmente? ndv - o número de posições endereçáveis verticalmente? width - a largura do rectângulo de visualização em mm? height - a altura do rectângulo de visualização em mm

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Resolução Gráfica (continuação) ? A partir desses 4 parâmetros (ndh, ndv, width e height),

vários números interessantes podem ser calculados:? densidade horizontal:horiz_den:= ndh/width? tamanho ponto horizontal: horiz dot size:= width/ndh? tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size: width/ndh? densidade vertical: vert_den:= ndv/height? tamanho ponto vertical: vert_dot_size:= height/ndv? total pontos endereçáveis: total_nr_dots:= ndh*ndv? resolução de área: area_res:= total_nr_dots/(width*height)? razão de aspecto gráfica:

aspect_ratio:= vert_dot_size/horiz_dot_size

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? razão de aspecto física:physical_aspect_ratio:= height/width

? Notas:O ideal seria ter um aspect ratio igual ou próximo de 1.

Sistemas de Coordenadas? É necessário definir sistemas de coordenadas para quantificar os dados? Os pixels são endereçados por dois números inteiros que dão suas

coordenadas horizontal e vertical, dcx, e dcy, respectivamente, onde:0 ≤ dcx ≤ ndh1 = ndh –1, 0 ≤ dcy ≤ ndv1 = ndv –1

? O pixel endereçado como (0,0) está geralmente no canto inferior esquerdo dorectângulo de visualização. As coordenadas (dcx,dcy) são chamadas de coordenadasdo dispositivo, e podem assumir apenas valores inteiros.

? As coordenadas do dispositivo podem variar bastante para diferentesequipamentos, o que levou à utilização de coordenadas normalizadasdo dispositivo (NDC - Normalized Device Coordinates), para efeito depadronização (ndcx,ndcy).

? As NDCs são variáveis reais, geralmente definidas no intervalo:

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? As NDCs são variáveis reais, geralmente definidas no intervalo:0 ≤ ndcx ≤ 1, 0 ≤ ndcy ≤ 1

? A coordenada NDC (0,0) corresponde à origem (0,0) nas coordenadas do dispositivo, ea coordenada NDC (1,1) refere-se ao pixel no canto superior direito, quecorresponde ao pixel (ndh1,ndv1) nas coordenadas do dispositivo.

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Sistemas de Coordenadas (cont.)? A vantagem da utilização de NDCs é que padrões gráficos podem ser

discutidos usando um sistema de coordenadas independente dedispositivos gráficos específicos.

? Os dados gráficos precisam ser transformados do sistema decoordenadas independente para o sistema de coordenadas dop pdispositivo no momento de visualização.? O mapeamento de NDCs (reais) para coordenadas do dispositivo

(inteiros) é "linear", por exemplo:dcx = round (ndcx * ndh1), dcy = round (ndcy * ndv1)

? Um sistema muito útil é o sistema de coordenadas do mundo, ousistema de coordenadas do usuário, que consiste de coordenadascartesianas (x,y), num intervalo qualquer definido pelo usuário:

xmin ≤ x ≤ xmax ymin ≤ y ≤ ymax

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xmin ≤ x ≤ xmax, ymin ≤ y ≤ ymax? A transformação de coordenadas do usuário (x,y) para NDCs

(ndcx,ndcy), denominada transformação de visualização, é dada por:ndcx = (x – xmin) / (xmax – xmin),ndcy = (y – ymin) / (ymax – ymin)

Formato de Dados Gráfico? Existem dois formatos básicos para a

representação e o armazenamento de dadosgráficos no computador:? o formatoformato vectorialvectorial,? o formatoformato matricialmatricial

? O formato vectorial é utilizado para descrever aestrutura geométrica dos objectos gráficos.

? O formato matricial está frequentemente

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associado à imagem digital.

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Formato de Dados Gráfico (cont…)? Formato Vectorial

? Os dados são representados por unidades básicas deinformação, descritas por coordenadas em um espaçovectorial.

? Os elementos são associados a posições ou a vectoresdeste espaço.? relativamente às posições… podem ser utilizados

na especificação dos pontos iniciais e finais desegmentos de recta, vértices de polígonos e malhasde controlo de curvas e superfícies paramétricas

? relativamente a vectores… podem especificarf di õ i t õ

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forças, direcções ou orientações.? A dimensão do espaço vectorial determina o número

de coordenadas de seus elementos básicos.? As coordenadas do espaço podem ser representadas

por números reais ou inteiros, respectivamente.

Formato de Dados Gráfico (cont…)? Formato Matricial

? Uma imagem matricial é uma matriz M x N onde cadaelemento da matriz é um elemento de um espaçovectorial Vvectorial V.

? O caso mais comum é quando V é um espaço de cor.? Chama-se resolução da imagem à ordem M x N da

matriz.? Define-se imagem volumétrica tomando matrizes de

ordem M x N x P, onde cada entrada também é um

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elemento do espaço de cor.? Cada elemento da matriz é chamado de pixel.

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Formato de Dados Gráfico (cont…)? Conversão entre Formatos

? A conversão entre formatos é desejável e muitas vezes necessária.? Rasterização – transformação de dados do formato vectorial para

o matricialo matricial.

? Segmentação – transformação de dados do formato matricial parao formato vectorial. Essa conversão em alguns casos, não é bemdefinida sendo impossível de ser realizada

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definida, sendo impossível de ser realizada.

Dispositivos de Visualização? Classificação

? Toda imagem criada através de recursos computacionaisdeve ser representada em algum dispositivo físico quepermita a sua visualizaçãopermita a sua visualização.

? É possível classificar os dispositivos de visualização emduas principais categorias, segundo a forma pela qualas imagens são geradas:

?? dispositivosdispositivos vectoriaisvectoriais - conseguem traçar segmentos derecta perfeitos entre dois pontos da malha finita de

t d fi id fí i d ibi ã

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pontos definida por suas superfícies de exibição?? dispositivosdispositivos matriciaismatriciais - apenas conseguem traçar pontos,

também em uma malha finita. Assim, segmentos derecta são traçados como sequências de pontos próximos.

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Dispositivos de Visualização? Classificação (cont…)

? A evolução dos equipamentos gráficos reflecte odesenvolvimento da CG.

? Inicialmente havia uma grande preocupação com a? Inicialmente havia uma grande preocupação com amodelagem geométrica ? dispositivos vectoriais

? Depois, com a ênfase na síntese de imagens ?dispositivos matriciais

? Actualmente ? soluções integradas i.e. que combinem autilização dos dois tipos de dispositivos

? De modo geral:

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g? Dispositivos do tipo matricial estão relacionados com a exibição

e o processamento de imagens.? Dispositivos do tipo vectorial estão vinculados a especificação e

manipulação dos modelos geométricos.


? Os dispositivos do tipo matricial necessitam do uso demuita memória para armazenar a imagem.O di i i d i i i l f i l i d? Os dispositivos do tipo matricial foram impulsionadosna década de 80 por dois factores:? A queda do preço da memória,? A revolução nas comunicações que a televisão

provocou.? Os avanços recentes nas áreas de supercomputação e de

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ç p p çcomputação paralela têm tido um impacto significativonos dispositivos de processamento gráfico.

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?Em relação ao critério funcional, dividem-seos dispositivos gráficos em:? Dispositivos de entrada? Dispositivos de processamento? Dispositivos de saída

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?Dispositivos de Entrada Gráfica (DEG)? São dispositivos de captação de informação

gráficagráfica.? Do ponto de vista do formato da imagem estes

dispositivos podem ser classificados comovectoriais e matriciais

? Os DEG vectorial são em sua maioria utilizadoscomo componentes de estações interactivas.Exemplo: mouse

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p? Os DEG matricial são tradicionalmente utilizados

de modo não interactivo devido, principalmente,ao grande volume de dados que devem sermanipulados. Exemplo: scanner

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? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV)Com sistemas de coordenadas absolutos?? LightLight penpen ––

? Dispositivo bidimendional que funciona acoplado a um terminal de vídeo.É? É composto por uma caneta com uma foto-célula na ponta ligada aocircuito de vídeo do terminal.

? Actualmente em desuso devido a alguns problemas técnicos apresentados.?? TouchTouch pannelpannel ––

? Dispositivo bidimensional que deve ser integrado a um terminal de vídeo.? Consiste em uma tela transparente, sensível ao toque, que é sobreposta à

tela do terminal.? Apresenta severas limitações em termos de resolução pelo que é indicado

apenas para a selecção de objectos gráficos apresentados na tela.?? TabletTablet (messa(messa digitalizadora)digitalizadora) –

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(( g )g )? consiste em uma base plana e um instrumento indicador em forma de

caneta ou bloco? A tablet em geral é um dispositivo bidimensional.? Em alguns dispositivos é possível especificar a pressão exercida na ponta da

caneta e também a sua direcção.? Existe o 3d digitizer que permite digitalizar directamente pontos na

superfície de um objecto tridimensional.


? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV)Com sistemas de coordenadas absolutos?? LightLight penpen –– TouchTouch pannelpannel ––

?? TabletTablet (messa(messa digitalizadora)digitalizadora) –

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? Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV)Com sistemas de coordenadas relativos?? MouseMouse --

? É um dos dispositivos de entrada gráfica mais comuns actualmente.? É um dos dispositivos de entrada gráfica mais comuns actualmente.? Consiste em um pequeno bloco com botões de pressão, que se

comunica com o computador.

?? TrackballTrackball --? É constituída por uma esfera que gira livremente numa base.? Os movimentos de rotação em relação aos dois eixos ortogonais são

transformados em informação de posição de maneira semelhante àdo mouse.

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?? JoystickJoystick --? É formado por uma haste conectada a uma base.? O movimento da haste é transformado em um vector de velocidade

que controla a variação dos dados posicionais.? É utilizado com frequência como interface de entrada dos video-games.


? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)? A estrutura dos dispositivos de entrada do tipop p

matricial consiste em um sensor que capta sinais noespaço ambiente e um circuito digitalizador queconverte esses sinais analógicos para um formatomatricial

? O processo de conversão de uma imagem para umaimagem digital é conhecido como digitalização.

? Os DEM são em sua maioria destinados à

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? Os DEM são, em sua maioria, destinados àdigitalização de imagens.

? Dependendo do meio no qual se encontra a imagem aser digitalizada tem-se o frame grabber, o scanner, ofilm scanner e o depth scanner

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Dispositivos de Visualização? Classificação (cont…)? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)

?? FrameFrame grabbergrabber ––? Faz a digitalização a partir de um sinal analógico de vídeo.? O sinal de vídeo pode ser gerado directamente por uma

câmara ou por um dispositivo de reprodução de vídeo.? A resolução da imagem digitalizada é a resolução de vídeo e

que é aproximadamente de 512 x 512 pixels.? Os dispositivos mais sofisticados digitalizam com uma

resolução de cor de 24 bits.

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? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)?? ScannerScanner ––

? Digitaliza a partir de imagens em papel.? A imagem é colocada sobre uma superfície transparente, em

geral plana ou cilíndrica.? O elemento de digitalização se compõe de uma fonte de luz e

de um sensor que mede a luz reflectida linha por linha, emsincronismo com o deslocamento da imagem.

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? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)?? FilmFilm ScannerScanner ––

? Digitaliza a partir de imagens em transparências utilizandoo laser para maior resolução

? Um feixe de luz precisamente colimado é dirigido ao filme ea quantidade de luz transmitida é medida por uma célulafotoeléctrica.

? Este dispositivo pode atingir uma resolução superior a 2000pontos por polegada.

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pontos por polegada.


? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)?? DephDeph ScannerScanner ––pp

? Captura informação de uma cena tridimensional,produzindo uma matriz de coordenadas com a profundidadede cada ponto da cena.

? A estrutura dessa matriz depende do processo de varrimentoutilizado (plano o cilíndrico).

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Dispositivos de Visualização? Dispositivos de Processamento Gráfico (DPG)

? Os DPG são computadores com uma arquitectura especial, orientada paraa manipulação e processamento de dados gráficos

? Tipos de DPG?? DispositivosDispositivos dede ProcessamentoProcessamento VectorialVectorial --pp

? Se destinam principalmente ao processamento de modelos geométricos.? Actuam sobre as coordenadas das diversas componentes dos modelos

(segmento de recta, polígonos, etc.)? Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:

? SISD (uniprocessadores) – single-instruction, single data stream? MISD (multiprocessadores) – multiple-instruction, single data

stream?? DispositivosDispositivos dede ProcessamentoProcessamento MatricialMatricial ––

? São equipamentos multi-processadores utilizados para o processamento

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? São equipamentos multi-processadores utilizados para o processamentode imagens, para a rasterização e outros algoritmos gráficosparalelizáveis

? Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:? SIMD (uniprocessadores) – single-instruction, multiple data stream? MIMD (multiprocessadores) – multiple-instruction, multiple data

stream

Dispositivos de Visualização? Dispositivos de Saída Gráfica (DSG)

? Os DSG são equipamentos que permitem a visualização de dadosgráficos.

? Podem ser divididos em vectoriais ou matriciais, de acordo com o o? Podem ser divididos em vectoriais ou matriciais, de acordo com o otipo de gráfico por eles manipulado.

? Os dispositivos de exibição de vídeo são, sem dúvidas alguma, osmais importantes e mais comuns.

? Um dispositivo de exibição de vídeo é constituído por quatroelementos:

? Um monitormonitor dede vídeovídeo (CRT);? Um controladorcontrolador dede vídeovídeo;

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? Um controladorcontrolador dede vídeovídeo;? Uma memóriamemória dede exibiçãoexibição (frame buffer);? Conversor digital analógico.

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Dispositivos de Visualização? O CRT de varrimento raster

? Um CRT consiste basicamente de uma superfície de exibição, quaseplana, recoberta internamente de material à base de fósforo, umcanhão emissor de electrões e um sistema de deflexão

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? O canhão emite um fino feixe de electrões que, acelerados, chocamcontra a superfície fosforescente da tela. Sob a acção dos electrões, omaterial fosforescente incandesce, emitindo luz no ponto da telaatingido pelo feixe. A função do sistema de deflexão (bobina de desvio) édirigir de forma controlada o feixe de electrões para um determinadoponto da ecrã.


Histórico:? 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT? 1940, utilização em TV (televisores).? Até 2001 dominância no mercado de monitores

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? Até 2001, dominância no mercado de monitores.? Maior fabricante actual: Philips Electronics.

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? O funcionamento básico de qualquer monitor de vídeo é bastante similar aofuncionamento de um monitor de televisão.

? O espaço de cor do monitor de vídeo depende do número de camadas defósforo em cada ponto.

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p? Os monitores monocromáticos (bitmapped) utilizam uma única camada de

fósforo que é sensibilizado com voltagem mínima ou máxima? Os monitores que permitem a exibição de tons cinza (gray scale) utilizam uma

única camada de um fósforo cuja sensibilidade produz uma radiação com sluminância proporcional à voltagem aplicada ao feixe de electrons do canhão.

Dispositivos de Visualização? O CRT de varrimento raster (continuação)

? Em CRT convencionais a bobina de desvio está ligada a um sweep ougerador de varrimento

? O término raster é um sinónimo do termo matriz. Um CRT devarrimento raster varre, com um feixe de electrões, todos os elementos

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varrimento raster varre, com um feixe de electrões, todos os elementosde uma matriz.

? A frequência de varrimento está relacionada com a frequência da linhade tensão local.? Ex. na Europa é usada uma tensão de 50 ciclos (50 vezes/segundo).

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? Cada vez que o feixe de electrões completa um ciclo deraster ou varre todas as linhas, diz-se que o CRT foirefrescado.

? Importante: A persistência do fósforo usado e a frequência de? Importante: A persistência do fósforo usado e a frequência derefrescamento devem ser semelhantes

? Se a imagem sendo mostrada é composta por muitosvectores, vai haver um atraso significativo entre otraçado do primeiro e do último vector, e alguns dovectores traçados inicialmente podem desaparecer nesseperíodo.

? O resultado é que o tubo não consegue reproduzir ai d d fi i t t á id it

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imagem de modo suficientemente rápido para evitarque um efeito de flickering (cintilação) torne-se aparentena ecrã.

? Nota: poucas pessoas podem distinguir variações visuais que duremmenos de 1/30 segundos


? Taxa de refrescamento:? É o número de frames por segundo geradas no monitor.

? Hertz (Hz):? 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:

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? 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

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? O feixe de electrões varre a tela muitas vezes por segundo, de acordo comuma trajectória fixa (ver Fig).

? O feixe movimenta-se da esquerda para a direita, na horizontal. Ao finalde uma varredura horizontal, o feixe (com intensidade anulada) é

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( )reposicionado no início da linha imediatamente abaixo, para novavarredura.

? Na tecnologia de varrimento, todos os pontos que compõem uma imagemprecisam ser armazenados. Consequentemente, gráficos de varredurarequerem muito mais memória.


? Num monitor policromático, cada pixel da ecrã é recoberto portrês tipos de fósforo, que produzem as cores vermelho, verde eazul (Red, Green, Blue - RGB).

? Ao invés de um único feixe de electrões existem três, cada qualassociado a uma cor de fósforo.

? Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes deelectrões, está uma barreira de metal, denominada shadow maskou metal mask (ver Fig), que, por meio de buracos em posiçõesestratégicas garante que cada feixe atinge apenas o fósforo ao

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estratégicas, garante que cada feixe atinge apenas o fósforo aoqual está associado.

? Variando a intensidade de cada feixe, varia-se a intensidade dobrilho de cada fósforo, obtendo-se cores diferentes.

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? Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes de electrões, estáuma barreira de metal, denominada shadow mask ou metal mask (ver Fig),que, por meio de buracos em posições estratégicas, garante que cada feixeatinge apenas o fósforo ao qual está associado.g p q

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? Assim como nos monitores policromáticos o feixe de electrões estáassociado a um conjunto de bits na frame memory que determina aintensidade dos fósforos vermelho, verde e azul.

? Exemplo:? Exemplo:? Se existem três bits de memória por pixel), pode-se obter oito cores distintas,

conforme mostrado na Tabela.? O número de bits associado a cada pixel é denominado pixel depth (bit planes),

ou "profundidade" do pixel.

R G B Color

0 0 0 Preto

0 0 1 Azul

0 1 0 Verde

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0 1 0 Verde

0 1 1 Turquesa

1 0 0 Vermelho

1 0 1 Magenta

1 1 0 Amarelo

1 1 1 Branco

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Dispositivos de Visualização? Monitores LCD (liquid crystal display)

? Os cristais líquidos foram descobertos no final do séc. XIX pelobotânico Frieddrich Reinitzer.

? Os cristais líquidos são substâncias quase transparentes queib i d d d té i ólid d té iexibem 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 aluz passava através dos cristais - uma propriedade dos líquidos.

? LCD é uma tecnologia transmissiva. Um LCD funciona pela

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g pvariação de quantidades de luz branca de intensidade fixa atravésdum filtro.

? Os cristais líquidos são normalmente compostos orgânicos queconsistem de moléculas semelhantes aos cones do olho humano.Portanto, os cristais líquidos funcionam como sensores de corquando são estimulados pela luz


? Há 2 tipos principais de LCDs usados em computadores: matrizpassiva (DSTN) e matriz activa (TFT).

? Os LCDs de matriz passiva tem 2 camadas de vidro chamadaspsubstractos.

? Os eléctrodos dum substracto são perpendiculares aos eléctrodosdo outro substrato. Há, pois, eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna.

? 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 porparte do circuito integrado associado à coluna respectiva.

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p g p

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? Os LCDs de matriz activa dependem basicamente dos thin filmtransistors (TFT).

? Os TFT são transistores (comutadores) e condensadores( )minúsculos. Estão dispostos matricialmente num substracto devidro – 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 quetodas as outras linhas estão desactivadas, só o condensadordaquele pixel recebe a carga.

? Os TFTs controlam a intensidade dos elementos de cor de cada

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pixel.? O tempo de resposta é de 25ms para a matriz activa.

Dispositivos de Visualização?? EcrãsEcrãs dede cristalcristal líquidolíquido (LCD)(LCD) ((contcont……))

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Dispositivos de Visualização? Outros dispositivos de saída

?? TraçadoresTraçadores ((plottersplotters))?? SãoSão dispositivosdispositivos electromecânicoselectromecânicos queque produzemproduzem oo desenhodesenho pelopelo

i ti t dd tt bb fí ifí i dd llmovimentomovimento dede umauma canetacaneta sobresobre aa superfíciesuperfície dodo papelpapel..? A primitiva gráfica básica nesse tipo de dispositivo é o segmento de

recta. Arcos, curvas e caracteres são produzidos pelo traçado de umasérie de pequenos segmentos.

? Nos traçadores de mesa, o papel é fixado sobre uma superfície planarectangular, sobre a qual está localizado um braço mecânico quemovimenta-se por translação.

? Nos traçadores de rolo, o braço é fixo, e o papel é movimentado parafrente e para trás por acção de um rolo, como em uma máquina de

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p p ç , qescrever.

? Embora distintos em construção, estes dois tipos de traçadorespossuem características de programação e controle similares.

? O traçador é em geral controlado por um processador dedicado querecebe instruções directamente do computador ou de um arquivo quedescreve o desenho.

Dispositivos de Visualização? Outros dispositivos de saída

?? TraçadoresTraçadores ((plottersplotters))

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