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Computação Gráfica

© Julio Arakaki

Ciência da Computação

1. Introdução

1

Computação Gráfica e Processamento de Imagens

Prof. Dr. Julio Arakaki ([email protected])

www.pucsp.br/~jarakaki


PUC-SP

mailto:[email protected]


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1. Introdução

2

O que é Computação Gráfica e Proc. de Imagens?


criação, manipulação e armazenamento de modelos

e imagens


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1. Introdução

3


• O termo Computação Gráfica, foi utilizado por William Fetter da

empresa Boeing em 1960.

• Tudo que está relacionado com a representação visual no

computador, incluindo:

– Interfaces Gráficas - GUI (“Graphics User Interface”)

– Imagens e processamento no computador

– 3D (efeitos especiais, jogos, animação, …)

– Visualização científica

– Algoritmos, teorias (física, matemática, computação, …)

– Dispositivos gráficos, “hardware” (placas gráficas, monitores, …)

– …


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1. Introdução

4


Relacionada com a criação, armazenamento e manipulação de

modelos e imagens, onde:

Imagens

Modelos

(Matemático,

…)

Análise de Imagem (reconhecimento de “pattern”.

Visão computacional)

Síntese de Imagem (Renderização,

visualização)

Modelagem

(geométrica)

Processamento

de Imagem

Objetos

físicos,

reais


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1. Introdução

5

Os modelos são provenientes de vários campos, incluindo a física,

matemática, artístico, biológico, entre outras.



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1. Introdução

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- Síntese de imagens: envolve técnicas destinadas a

criação e manipulação de imagens a partir de modelos

matemáticos e geométricos

- Análise de imagens: é o processo inverso da síntese.

Neste caso a imagem existe e de alguma forma é passada

ao computador através de equipamentos como mesas

digitalizadoras, câmeras, “scanner”. Ex: extração de

características para visão robótica.

- Processamento de imagens: uma imagem capturada

conterá ruídos (“noise”). Algoritmos de processamento

de imagens (filtros) para melhorar as características

visuais da imagem, como aumentar o contraste, foco,

reduzir ruídos e distorções.



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1. Introdução

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1. Introdução

8

Processamento de imagens

Análise de imagens



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1. Introdução

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O que é Computação Gráfica Interativa ?

• O usuário controla o conteúdo, a estrutura e a aparência dos objetos

apresentados, através de uma realimentação (“feedback”) visual.

Usuário

Aplicação

Tela

entrada imagem

“feedback”


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1. Introdução

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O que é Computação Gráfica Interativa ?

• Os componentes básicos de um sistema gráfico interativo são: entrada

(“mouse”, “tablet”, “light-pen”, “scanner”, …), processamento,

armazenamento e visualização/saída (tela, impressora, “plotter”, …)

Primeiro sistema gráfico

verdadeiramente interativo, foi

implementado por Ivan

Sutherland em 1963 (tese de

PhD.)

Utilizava um monitor tipo CRT,

“light-pen” e painel com

teclado de funções)


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1. Introdução

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Onde trabalhar com CG e PI?

Get a Job working for PIXAR

Get a Job working for George

Lucas at Industrial Light and

Magic.

Program and

Design Computer

Games

Design Operating

Systems

Applications Programming


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1. Introdução

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Quem trabalha com CG e PI

Usuários de programas/aplicativos

– usam para produzir desenhos e imagens

Customizadores

– adaptam programas existentes

Desenvolvedores/Programadores de aplicações específicas

– desenvolvem “Reconhecedor de Digitais”, Editor de

Circuito Integrado, AutoCAD, Corel, ...

Desenvolvedores de ferramentas

– desenvolvem Java 3D, OpenGL, DirectX, ...


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1. Introdução

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Aplicações

Computação

Gráfica

Outras ...

Física

Medicina

Psicologia

Artes

Matemática

Eng.

Eletrônica

• Arte: Efeitos especiais, modelagens criativas, esculturas e pinturas.

• Medicina: Exames, diagnósticos, estudo, planejamento de

procedimentos.

• Arquitetura: Perspectivas, projetos de interiores e paisagismo.

• Engenharia: Em todas as suas áreas (mecânica, civil, aeronáutica, etc.)

• Geografia: Cartografia, GIS, georreferenciamento, previsão de

colheitas.

• Meteorologia: Previsão do tempo, reconhecimento de poluição.

• Astronomia: Tratamento de imagens, modelagem de superfícies.

• Marketing: Efeitos especiais, tratamento de imagens, projetos de

criação.

• Segurança Pública: Definição de estratégias, treinamento,

reconhecimento.

• Indústria: Treinamento, controle de qualidade, projetos

• Turismo: Visitas virtuais, mapas, divulgação e reservas.

• Moda: Padronagem, estamparias, criação, modelagens, gradeamentos.

• Lazer: Jogos, efeitos em filmes, desenhos animados, propaganda.

• Processamento de Dados: Interface, projeto de sistemas, mineração de

dados.

• Psicologia: Terapias de fobia e dor, reabilitação.

• Educação: Aprendizado, desenvolvimento motor, reabilitação.


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1. Introdução

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Interdisciplinar – Teoria e Prática


Algoritmos e Estrutura de Dados

Matemática

Matemática de curvas e superfícies, geometria

Física

Ótica, mecânica, Física da luz e cores

Engenharia

“Hardware” (processadores gráficos, dispositivos de I/O) e “Software” (bibliotecas gráficas, sistemas de

janelamento (“window systems”) e engenharia de “software”)

Projeto de estruturas (Eng. Civil e Eng. Mecãnica/Mecatrônica)

Psicologia

Cores: harmonia e percepção

Artes e “Design”

…


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1. Introdução

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Uma breve história…

• No início, dificuldades inclusive para visualização de textos …

Manchester Mark I

Display


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1. Introdução

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• 1926 - J.L. Baird inventa a televisão (30 linhas – verticais)

• 1885 - CRT (Cathode Ray Tube)


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1. Introdução

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• 1950 - computador com CRT (MIT)

• 1960 - doutorado de Ivan Sutherland -

Sketchpad

– Estrutura de dados e técnicas interativas

– Lightpen

– Estruturas em memória para armazenar

objetos

– rubber-banding

– zoom in, zoom out

– PDP-1 (DEC)

• ~1960 - GM desenvolveu o CAD (“Computer Aided Design”) e CAM

(“Computer Aided Manufacturing”)


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1. Introdução

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• 1962 – Steve Russel Space War

– Primeiro jogo para computador

– “multiplayer”

– Teclas: a,s,d,f, k, l, ... controla as naves

• 1963 – IBM cria o primeiro “mainframe”(modelo 360) de

propósito geral.

• 1963 - SRI desenvolve o “mouse”


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1. Introdução

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• 1966 – Ralph Baer cria o primeiro produto de consumo baseado em

C.G.


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1. Introdução

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• 1967 – GE implementa o primeiro

simulador (“real time”)

totalmente colorido para a NASA

• ~1968 Tektronix – tubos

• ~1970 Boeing – CAD/CAM

• ~1970 “workstations” e PCs surgiram separadamente


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1. Introdução

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• 1972 – Atari (PONG)


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1. Introdução

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Westworld (1973)

Primeiro filme com características de



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1. Introdução

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• 1974 – Intel desenvolve o processador 8080

• 1975 – Mandelbrot cria os “fractais”

• Bill Gates inicia a Microsoft


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1. Introdução

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• 1976 – Steve Jobs e Steve Wozniac funda a

Apple

• 1977 – Categoria de efeitos especiais é

introduzido no Oscar

• 1977 – “Star Wars” vence o

Oscar


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1. Introdução

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1978 1979

• 1980 – “Tron” da Disney foi o

primeiro filme com 20 minutos de

animação feito por computador

1980


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1. Introdução

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• 1980 – Seagate cria tecnologia de HDs para

PCs

• 1981 – IBM cria o IBM PC (8088 de 16 bits)

• 1982 – “Startrek II ” os efeitos

visuais foram feitos totamente no

computador


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1. Introdução

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1983

1984 - PIXAR


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1. Introdução

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1985 – animação realística por

computador (modelos altamente

detalhados)

• 1990 – Windows 3.0, “decola”

• 1993 – “Myst”

• 1994 – Playstation e N64


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1. Introdução

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1995 – “Toy Story”, primeiro desenho animado

3D, totalmente no computador 1997

1996 – “Independence Day”

1997

“Geri ’s Game”

(Pixar)


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1. Introdução

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• 1998 – “Armageddon”, “Mouse Hunt” e

“Bugs Life”

• 1998 – “Matrix”, “Star Wars: The Phantom Menace”

e “Tarzan” (Disney)


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1. Introdução

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• 2000 – PlayStation II (Sony), “Shrek”

(Disney), “Walking with Dinosaurs”

• ... PS3, WII, TV Digital, HDMI,

BlueRay, IPhone, IPad, Cinema 3D,

TV 3D ...

• 2002 – Xbox (Microsoft)


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1. Introdução

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História – ferramentas (bibliotecas/SO)

1978-core

1985-GKS

1988-PHIGS

1990-PEX

1991-GL

1993-OpenGL

1996-Direct 3D

…

1984-Macintosh

1987-XWindow v.11

1988-Motif

1990-Windows 3.0

1993-Visual Basic v.3

1995-Delphi

1996-Java

…


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1. Introdução

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História - Sistemas notáveis

• Tektronix comandos em BASIC (meados-1970)

• HP (Hewlett Packard)

• Microsoft BASIC (para PCs) comandos gráficos (aprox. 1980)

• QuickDraw (Apple Macintosh)

• X (MIT)

• OpenGL (Silicon Graphics)

• SRGP (Simple Raster Graphics Package)

• SPHIGS (Simple PHIGS)

• MS Windows

• Java AWT


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1. Introdução

34

Evolução da Computação Gráfica

Inicialmente, o desenvolvimento da Computação gráfica foi

lenta:

– Alto custo dos equipamentos (principalmente memória)

– Necessidades de recursos computacionais significantes

– Dificuldade para desenvolvimento de “software”

– Falta de padronização e portabilidade

– Falta de ferramentas para construção de “ software”


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1. Introdução

35

Evolução da Computação Gráfica

Atualmente:

– O custo dos equipamentos diminuiu bastante

– Maioria dos computadores tem recursos necessários para os

gráficos

– Surgimento de padronizações, implementações e ferramentas

– Permanece a carência no desenvolvimento de “software” em

relação ao desenvolvimento tecnológico dos equipamentos

(“hardware”)


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1. Introdução

36

Associações/Comitês profissionais

ACM SIGGRAPH

- “Association for Computing Machinery Special Interest Group in

Graphics”

IEEE

- “The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Technical

Committee on Computer Graphics”


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1. Introdução

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Padronizações

ANSI = “American National Standard Institute”

ISO = “International Standards Organization”

ANSI é um membro da ISO

Padrões gráficos oficiais

• 1977 and 1979 - 3D SIGGRAPH CORE (ACM SIGGRAPH)

• 1985 - GKS (Graphical Kernel Systems) ANSI X3.124-1985

• 1988 - GKS-3D (ISO 8805 and ANSI)

• 1988 - PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics

System) ANSI

• 199x - OpenGL


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1. Introdução

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Tecnologia em Circuitos Integrados (graphics cards)

Novas plataformas de “games”, utilizam processadores de alta

performance (128-bit e grande capacidade gráfica)

SGI/Nintendo 64

Sega Dreamcast

Sony Playstation 2

3Dfx Voodoo3

nVidia GeForce (23 milhões de transistores)

PixelFusion FUZION

…


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1. Introdução

39

Requisitos para bons sistemas Gráficos

Habilidade para controlar os pontos (pixels) do “display”

Habilidade para controlar as formas primitivas na tela

Uso de cores, luzes e sombras

Construção de bibliotecas (“library”) ou pacotes (“packages”)

para extender linguagens

Conhecimento de “hardware”

Transformação e representação matemática


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1. Introdução

40

Requisitos para bons sistemas Gráficos

Habilidade para armazenar blocos de informações

Computadores de alta performance

Algoritmos gráficos

Entendimento e manipulação de estrutura de dados

Bons princípios de engenharia de “software”

Fatores humanos

Alguns prinçípios artísticos

E muito esforço…


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1. Introdução

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História - Exemplos

DAC: primeiro sistema CAD (IBM 1959)

SpaceWars: primeiro game baseado em Computação

Gráfica (MIT 1961)

Imagem texturizada (Catmull 1974)

SketchPad: primeiro sistema gráfico interativo (1961)


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1. Introdução

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Tron (1980)

Computação Gráfica utilizada pela primeira vez

para definir sequências de ações.


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1. Introdução

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Referência Bibliográfica

• “Computer Graphics – C version”, Donald Hearn e M. Pauline Baker.

2a edição. Prentice Hall. 1997.

• “3D Computer Graphics”, Alan Watt. 3a edição. Addison Wesley.

2000.

• Diversos (livros, artigos de revistas, internet)

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