Computação Gráfica Mauricio Cunha Escarpinati [email protected] Aula 2 - Dispositivos...

Computação Gráfica

Mauricio Cunha [email protected]

Aula 2 - Dispositivos Gráficos

Aplicações

• Desenho Assistido por Computador (CAD).

• Desenho Geométrico Assistido por Computador (CAGD).

• Sistemas de Informações Geográficas (GIS).

• Visualização Científica.

• Visualização Médica.

• Educação.

• Entretenimento.

Esquema de Relacionamento

Áreas Relacionadas

• Computação•Algoritmos•Estruturas de Dados•Métodos Numéricos

• Matemática•Geometria,•Álgebra Linear

• Física•Ótica•Mecânica

• Psicologia•Percepção

• Artes

Representações Gráficas

• Gráficos “Vetoriais”•Representados por coleções de objetos geométricos:

• Pontos• Retas• Curvas• Planos• Polígonos

• Gráficos “Matriciais”• Amostragem em grades retangulares• Tipicamente, imagens digitais

• Matrizes de “pixels”• Cada pixel representa uma cor

•Dados volumétricos• Imagens médicas• Cada pixel representa densidade ou intensidade de algum campo

Exemplos

Linha de (x,y) até (x2,y2)Retângulo vse(x,y) vid(x2,y2)Círculo C(x,y) raio R

Representação Vetorial

01 00 00 01 01 01 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 0101 00 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 00 00 02 0101 02 01 01 00 01 01 01 00 00 01 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 32 00 01 0101 01 00 00 00 01 01 01 30 32 30 30 31 35 35 00 01 00 00 01 01 00 32 01 01 0101 01 01 01 01 01 01 01 30 02 00 03 00 30 35 35 36 36 36 36 36 34 32 01 01 0101 02 00 00 00 00 00 01 30 32 03 03 03 32 35 35 00 00 00 00 00 33 32 01 01 0101 01 00 00 00 00 00 00 30 31 30 35 35 32 00 00 00 00 00 00 00 33 32 01 01 0101 02 01 01 01 00 01 00 30 35 35 35 35 32 00 00 00 00 00 00 00 33 33 01 01 0101 00 01 00 01 00 01 00 35 30 32 31 30 32 00 00 00 00 00 00 00 33 33 31 01 0101 01 00 02 01 01 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 33 33 31 01 0101 00 01 02 02 02 01 01 01 00 01 02 02 01 00 01 02 01 01 01 00 00 35 01 01 0101 00 01 01 02 02 01 00 00 01 01 00 00 01 00 01 02 00 00 01 02 00 35 01 01 0101 00 01 00 02 02 01 01 00 02 00 01 01 00 01 00 01 01 01 00 00 00 35 01 01 0101 00 01 01 02 01 02 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 02 02 00 01 00 35 01 01 0101 00 01 00 02 01 00 02 00 00 33 34 34 34 34 33 00 00 00 00 00 00 35 01 01 0101 00 01 00 02 02 01 01 00 32 31 32 33 34 34 35 35 35 35 35 35 35 35 01 01 0101 00 01 00 00 00 00 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 32 32 33 32 35 35 01 01 0101 00 01 00 01 00 00 32 32 03 00 00 00 00 00 00 00 00 00 02 33 35 35 00 01 0101 01 02 01 02 00 32 32 03 03 03 03 03 03 00 00 00 00 00 33 35 35 35 00 01 0101 00 02 01 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 00 00 03 00 02 35 35 35 35 00 01 0101 01 00 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 00 00 03 03 03 34 35 35 33 00 00 01 0101 02 00 31 35 34 33 33 02 02 03 03 03 03 03 03 00 34 35 35 34 01 01 00 01 0101 02 00 35 35 35 35 35 35 35 35 34 34 34 02 00 00 34 35 34 01 00 01 00 01 0101 02 00 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 34 35 35 33 01 00 00 00 01 0101 01 00 35 34 35 35 35 35 36 35 35 35 34 34 35 35 35 34 00 01 00 00 00 01 0101 01 00 33 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 33 00 01 00 00 00 01 0101 00 00 01 01 02 00 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 34 00 00 00 00 00 00 01 0101 00 00 01 01 02 01 00 01 00 00 00 32 33 34 35 35 33 00 00 01 00 00 00 01 0101 00 00 01 01 02 01 02 01 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 02 02 02 00 01 01 0101 00 00 01 01 01 02 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 01 00 00 01 0101 00 00 00 00 01 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 01 01

Exemplo de Representação Matricial

Representações Vetoriais

• Permitem várias operações (quase) sem perda de precisão:

•Transformações lineares / afim•Deformações

• Por que “quase”? Estruturas de dados utilizam pontos e vetores cujas coordenadas são números reais.

•É necessário usar aproximações• Representação em ponto-flutuante• Números racionais

• Complexidade de processamento = O (no vértices / vetores)• Exibição

•Dispositivos vetoriais.•Dispositivos matriciais (requer amostragem, i.e., rasterização)

• Rasterização é o processo de conversão de representações vetoriaispara matriciais.• Transformar domínio contínuo em domínio discreto.

Representação Matricial

• Representação flexível e muito comum.

• Complexidade de processamento = O (no de pixels).

• Muitas operações implicam em perda de precisão (diversas reamostragens).

•Ex.: rotação, escala•Técnicas para lidar com o problema

• Ex.: técnicas anti-serrilhado (anti-aliasing)

• Exibição•Dispositivos matriciais•Dispositivos vetoriais (requer uso de técnicas de

reconhecimento de padrões)• Identificar características marcantes na imagem visando a sua representação vetorial.

Conversão entre representações

Monitores de VídeoIntrodução

• Resolução espacial•Tipicamente de 640x480 até 1600x1200.•Tendência de aumento.

• Resolução no espaço de cor• Monocromático (preto e branco)

• Praticamente restrito a equipamentos de baixo custo.

• Tabela de cores• Cada pixel é representado por um número (tipicamente 8 bits – de 0 a 255) que indexa uma tabela de cores (tipicamente RGB 24 bits)• Poucas (ex.: 256) cores simultâneas mas cada cor pode ser escolhida de um universo grande (ex.: 224)

• Resolução no espaço de cor (RGB).– Cor é expressa por quantidades discretas de vermelho (red), verde

(green) e azul (blue)

– Tipicamente 24 bits (8 bits para cada componente)

– Problema da quantização de cores:• Display de 1024x1024 requer 3MBytes de Buffer (delega ao HD).

• Usando 3 bytes por pixel (Combinação de cores) 28x 28x 28 = 16 milhões.

• Olho humano é capaz de distinguir apenas 350.000 cores.

• Minimizar o número de bits por cor pode representar vantagens no processamento.

Monitores de VídeoIntrodução

Monitores de Vídeo Ilustração Tabela de Cores

0102040306

0207

080801

070206

0102040306

0103050505

0106

Imagem

0102030405060708

150250

15496200

07164196

R

15025356105105

101211256

B

108168180

101256

11110132

G

Tabela de Cores

Imagem

256 256256 180 154206 200 102256 197 1100

13 1127 145 97160 82 6677 219 202256

51 7513 184 21199 49 37156 68 11098

58 255252 249 106126 116 320 6 25 56

78 7689

134 21216 30 822 71 1580

96 2561566 287

35 5616

256 256256

Monitores de Vídeo Ilustração RGB

RGB x Tabela de CoresComparação

Imagem utilizando uma combinação com 16 milhões de cores sem mapa de cores

Imagem utilizando mapa de cores com 256 entradas

•Resolução Espacial•número máximo de pontos à serem visualizados sem

sobreposição.•N° pontos por cm que podem ser desenhados na horizontal e

na vertical.•Ex: Resolução 1600x1200 1600 ptos horizontal e 1200 na

vertical.•Dot Pitch Tamanho do menor ponto possível a ser

representado•DPI (dot per inch) Qtde de pixels que existem em uma

polegada (2,54 cm)

•Tamanho Físico do Monitor•É dado em termos do comprimento da diagonal da tela.•Ex: monitor de 15”, 17”, 19”, etc.

•Razão de Aspecto (Aspecto Ratio)•Fornece a razão de pontos verticais para pontos horizontais

(ou vice-versa) necessários para produzir linhas de mesmo comprimento, em ambas direções.

Monitores de Vídeo Métricas

•Razão de Aspecto (Aspecto Ratio)

• Exemplo 1: Monitor com aspect ratio de 3/4.• Significa que linha vertical com 3 pontos tem mesmo comprimento que linha horizontal de 4 pontos.

• Exemplo 2: Monitor com resolução de 640x480 pixels, tendo 8” na horizontal (largura) e 6” na vertical (altura).

• Horizontal 640/8 = 80pixels/pol Vertical 480/6 = 80 pixel/pol• Razão de Aspecto 80/80 = 1• Portanto o monitor tem pixels quadrados, i.e., o mesmo tamanho nas direções horizontal e vertical.

• Se razão for diferente de 1 a imagem deve ser corrigida para não ficar distorcida.

Monitores de Vídeo Métricas

•CRT – (Tubos de Raios Catódicos)• As Imagens são formados atravéz da varredura de feixes de elétrons;• O Feixe varre em zig e zag da esquerda para a direita;• Cada Linha é constituída por um conjunto de pontos (pixels);

Monitores de VídeoPor Varredura (Matricial)

Dot Pitch

Monitores de VídeoPor Varredura

Esquema de um Monitor de Vídeo por CRT


• Princípio de Geração de Cores (Displays Coloridos)

• Três canhões que emitem três feixes de elétrons.

• Os canhões são dispostos de tal forma que incidam sobre a tela em três pontos distintos, onde se encontram depositados três tipos diferentes de material fosforescente {vermelho (R), verde (G), e o azul (B)}.

• Os três pontos de material fosforescente ficam bastante próximos entre si, de tal forma que o olho humano vê um só ponto colorido na tela.

• Variando-se a aceleração de cada feixe, faz-se com que se varie a intensidade luminosa de cada ponto do fósforo, obtendo-se portanto os inúmeros tons de cores.

• Uma máscara (grade) é colocada próximo à camada de fósforo para impedir que um canhão ative o fósforo de uma outra cor.


•A disposição dos canhões e dos pontos de fósforo podem estar em duas configurações:

• Triangular (Delta) Tecnologia descontinuada em virtude da difícil construção da máscara.• Retangular As diferentes cores de fósforo são arranjadas emretângulos formando linhas verticais:

•Esta tecnologia aumentou muito a resolução dos terminais de varredura por ser mais simples a fabricação da máscara e a deposição do fósforo.

•Memória de Vídeo:•Responsável pelo armazenamento dos dados ref. a imagem a ser exibida;

•Refrescamento da tela (redesenhar a imagem);•Necessidade de refrescamento a luz emitida decai com o tempo;

• A Memória é const. lida pelo controlador para regenerar a imagem na tela

• P/ cada pixel deve haver uma célula de memória;• Tamanho em bits da célula define a resolução de contraste;

• O Conteúdo da célula pode representar dois tipos de informação:

• A intensidade dos três feixes no ponto (8 bits por canal por ex:)• O endereço de uma tabela de cores


• Funções do circuito controlador de vídeo:• Refrescamento da tela;• Gerenciamento da memória;

• Refrescamento consiste em:• Leitura seqüencial da memória de vídeo;• Informação Digital Informação Analógica (Canhões de elétrons);• Geração dos pulsos de sincronismo;

• Modos de Atualização ou Refrescamento da Tela:• Seqüencial ou Não Entrelaçado Toda a imagem de uma vez (40 a 100Hz).

• Imagens mais nítidas;• Caso haja cintilação, aumentar a freqüência de varredura (≈ 75Hz);

• Entrelaçado Varre-se as linhas ímpares e pares de modo alternado;

• Desvantagem: redução na nitidez;• Solução utilizada nos monitores antigos (tempo de Persistência);


Controladora de Vídeo

Varredura por Entrelaçamento


• Canhão de elétrons desloca-se ao longo das linhas do desenho;

• Controle de Movimento é feito por uma unidade de processamento que armazena em memória uma lista das coordenadas finais das linhas do desenho;

• A Imagem é exibida repetidas vezes;

• O Canhão não respeita nenhuma ordem de varredura;

• Tecnologia exige alto custo (em desuso)

Monitores de VídeoVetoriais

Monitores de VídeoLCD

•Telas LCD se baseiam em uma tecnologia que produz imagens sobre uma superfície plana composta por cristal líquido e filtros coloridos;

•O Cristal líquido é uma substância cujas moléculas podem ser alinhadas quando sujeitas a campos elétricos;

•Quando alinhado apropriadamente, o cristal líquido permite a passagem da luz, para que a imagem seja gerada.

•Duas superfícies com filtros polarizados, controlam os raios de luz que passam através das moléculas de cristal líquido. As linhas de um dos filtros são dispostas perpendicularmente às linhas do outro filtro, e as moléculas entre as duas superfícies são forçadas a um estado torcido, direcionando os raios de luz da mesma forma.

•Quando não há nenhum campo elétrico aplicado às moléculas, a direção do raio de luz vai sendo alterada à medida que passa pelo cristal até encontrar a segunda superfície, cuja direção das ranhuras coincidirá com a do raio de luz.


•Se um campo for aplicado ao cristal, as moléculas se rearranjam verticalmente, fazendo com que os raios de luz percorram o intervalo sem alterar sua direção até encontrar a segunda superfície que bloqueará os raios.

•Uma fonte de luz fluorescente, identificada geralmente pelo termo backlight, é responsável pela emissão dos raios que são alinhados pelos filtros polarizados.


LCD Matriz Passiva•Forma mais simples e barata para endereçar pixels;•A tela consiste de uma grade de fios horizontais e verticais, a

intersecção dos fios define um pixel; •A corrente que controla o cristal é enviada através dos fios;•O processo é repetido seqüencialmente por linha, da parte

superior da tela até a inferior;•Problemas:

•Flicker, baixo tempo de resposta, crosstalk...


LCD Matriz Ativa•Reserva um transistor, chamado TFT (Thin-Film Transistor)

para alimentar cada pixel separadamente, podendo ativar ou desativá-lo de modo independente.

•Permite que a corrente que alimenta os pixels seja menor e, portanto, possa ser gerada ou interrompida mais rapidamente;

Monitores de VídeoPlasma

• Plasma Display Panels (PDP) estão mais para painéis acima de 40” do que para monitores para PC.

• Cada pixel (ponto colorido da tela) do PDP é composto por microtubos fluorescentes (como as lâmpadas fluorescentes);

• Uma descarga de alta voltagem excita uma mistura de gases como o hélio e o Xenônio e assim que estes vão perdendo a excitação geram radiações ultra-violeta que excitam os fósforo dos microtubos reproduzindo as cores.

Monitores de VídeoPlasma

Monitores de VídeoFED

•Monitores a base de Emissores de Campo (Field Emission Display);

•Tentativa de se chegar a um monitor com as mesmas características de um monitor comum (CRT) em tela totalmente plana.

•Os elétrons são gerados por catodos frios e cada pixel possuei seu próprio emissor.

•O catodo é formado por micro-pontas que devido a alta tensão aplicada entre as micro-pontas e o fósforo resulta na emissão de elétrons por estas pontas e são acelerados e focados para atingir o fósforo como no CRT convencional.

•Vantagens:

• Planicidade da tela;• Baixo consumo de energia;• Ângulo de visão;• Rápida resposta;• Excelente reprodução de cores;

Monitores de VídeoFED

Monitores de VídeoLED – FULL LED - OLED

Sistemas GráficosArquitetura

Atividades

Temas para Seminário:• Funcionamento de Impressoras;

• Matricial, Jato de tinta, Laser, Cera, Ploters;

• Funcionamento de Equipamentos I/O para RV;• Displays Touch Screen;

• Funcionamento e Aplicações;

• Realidade Virtual;• Aplicações;• VRML;

• Jogos Eletrônicos;• Princípios, técnicas e ferramentas para desenvolvimento;• Situação do mercado atual;

• Pesquisas Científicas na área de CG;• Principais pesquisas sendo desenvolvidas;• Principais centros desenvolvedores;• Estado da arte atual da área;

• Estereoscopia;• Princípios, técnicas e ferramentas para desenvolvimento;

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