Computação grafica

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COMPUTAÇÃO GRÁFICA E INTERFACES
Introdução
Carlos Carreto
Curso de Engenharia Informática
Ano lectivo 2003/2004
Escola Superior de Tecnologia e Gestão da Guarda
Sumário
◊ O que é a Computação Gráfica
◊ Aplicações da Computação Gráfica
◊ Breve História da Computação Gráfica
◊ Dispositivos Gráficos
O que é a Computação Gráfica
A computação gráfica é a área das ciências da computação que estuda a
geração, armazenamento, manipulação e interpretação de imagens por meio
de computadores.
O termo “computação gráfica” foi usado pela primeira vez em 1960 por
William Fetter para descrever novos métodos de desenho gráfico usados no
design do cockpit de aviões da Boeing.
Podemos dividir a computação gráfica em:
Bidimensional (2D)
Tridimensional (3D)

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Ou em:
Computação Gráfica Passiva
O computador é usado para definir, armazenar, manipular e
apresentar imagens gráficas. O computador prepara e
apresenta dados armazenados sob forma de imagens e o
observador não interfere nesse processo. É por exemplo o
caso da geração de um gráfico de barras a partir de uma
tabela de dados, ou a visualização de uma animação ou filme.
Computação Gráfica Interactiva
O computador também é utilizado para preparar e
apresentar imagens. No entanto, neste caso o utilizador
pode interagir em tempo real com a imagem. É o caso de um
jogo de computador, de um programa de CAD ou de um
sistema de realidade virtual.
Computação Gráfica Interactiva
O utilizador pode controlar o conteúdo, estrutura e aparência dos objectos
e das imagens através de feedback visual.
O primeiro sistema gráfico interactivo chamava-
se Sketchpad e foi criado em 1963 por Ivan
Sutherland durante o seu doutoramento no MIT.
Componentes de um sistema gráfico interactivo
ModeloModelo ProgramaPrograma
Sistema
Gráfico
Sistema
Gráfico
Output (ecrã,
impressora, gravador
de vídeo, HMD, etc)
Input (rato, teclado,
scanner, etc)
A Computação Gráfica, no seu sentido mais global, assume diversas
formas/aplicações, suficientemente diferenciadas para que mereçam
distinção e definições próprias:
◊ Síntese de Imagem
◊ Processamento de Imagem
◊ Análise de Imagem
◊ Visualização Computacional
Aplicações
Síntese de Imagem
As imagens são geradas artificialmente a partir de um conjunto de
definições. O objectivo é a criação e representação de objectos e cenas.
São exemplos de aplicação os sistemas CAD, a simulação, a animação, os
jogos, os efeitos especiais no cinema, etc.

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Aplicações
Processamento de Imagem
Transformação de imagens com o objectivo de melhorar as características
visuais da imagem tais como aumentar o contraste, ou o foco, ou ainda
reduzir o ruído e distorções. É o caso do tratamento de imagens enviadas
por satélite, aperfeiçoamento de fotografias, etc.
Análise de Imagem
Reconhecimento e classificação de padrões contidos nas imagens, com o
objectivo de produzir como output uma descrição abstracta da imagem. É o
caso dos sistemas de reconhecimento óptico de endereços dos correios, do
diagnóstico médico a partir da tomografia axial computorizada (TAC), visão
robótica, etc.
Aplicações
Visualização Computacional
Representação gráfica de 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, e muitas outras. A representação gráfica
é gerada automaticamente a partir dos dados e ao utilizador cabe definir
parâmetros e atributos da imagem para melhor navegar no conjunto de
dados. Dessa maneira, a visualização de dados partilha de características
da síntese, do processamento e da análise de imagem.
Aplicações
O seguinte diagrama representa a relação entre as quatro áreas descritas.
Aplicações
Síntese de Imagens
Análise de Imagem
Visualização
Processamento de Imagem
Visualização
Descrição
Imagem
Imagem

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Os primórdios (1950-1960)
Output: Texto e alphamosaic
Input: Linha de comando
Controle da aparência: Formatação codificada
Controle da aplicação: Monotarefa, processamento batch
Breve História da Computação Gráfica
Whirlwind, primeiro computador a
possuir recursos gráficos de
visualização de dados
numéricos foi o, desenvolvido pelo MIT
SAGE (Semi-Automatic Ground
Environment), convertia as
informações capturadas pelo radar
em imagem em um tubo de raios
catódicos (na época uma invenção
recente), utilizando ainda uma
caneta luminosa (light pen).
Sistemas Vectoriais (1963 - 1980s)
Output: Desenho de estruturas em arame;
Input: Linha de comando, teclados de funções e menus
Controle da aparência: Pseudo WYSIWYG
Controle da aplicação: Monotarefa e multitarefa
Uma das mais importantes publicações
de Computação Gráfica até hoje, a tese
do Dr. Ivan Sutherland (Sketchpad – a
man-Machine Graphical Communication
System). No início da década de 60,
chamou a atenção das indústrias
automobilísticas e aeroespaciais
americanas.
General Motors desenvolve o
precursor dos primeiros
programas de CAD
Sistemas Raster dos PCs (1972 - hoje)
Output: Janelas, icons, texto e imagens bitmap
Input: WIMP GUI (Windows, Icons, Menus, Pointer Graphical User
Interface): metáfora do desktop conceito de window, manipulação directa
através de pointing e clicking
Controle da aparência: WYSIWYG
Controle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas
A GUI é uma das principais aplicações
da computação gráfico hoje em dia.
Estações Gráficas 3D (1984 - hoje)
Output: Imagens foto-realistas em tempo real de cenas 3D
Input: Dispositivos de input 2D, 3D e nD, dispositivos de feedback
Controle da aparência: WYSIWYG
Controle da aplicação: Multitarefa, Cliente-Servidor, gestão de janelas
Estações gráficas poderosas e
sofisticadas bibliotecas gráficas
permitem a geração de imagens
foto-realistas
Novos dispositivos de input
com capacidade de feedback
táctil.

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Novas tecnologias (1990s - hoje)
Multimedia: Texto e gráficos em sincronia com som e vídeo
Hipermedia: Multimédia com ligações
World Wide Web: Hipermedia a uma escala global
Realidade Virtual: RV imersiva (via HMD), não imersiva (via ecrã), Cave,
Realidade Aumentada
Novos Interfaces com o utilizador: 3D Widgets, baseados em gestos,
interfaces sociais, agentes, avatares, etc.
Realidade aumentada sobrepõe imagens
geradas por computador a imagens do
mundo real.
Sistema de pintura virtual,
CAVE Painting.
Hardware gráfico
A evolução do hardware é crucial no desenvolvimento da computação gráfica.
Cada 18 meses o poder computacional duplica e o preço é reduzido para
metade (Lei de Moore). A CPU Intel de um Pentium 4 contem 55 milhões de
transístores, comparados com apensa os 26 milhões da CPU do Pentium III
A evolução de plataformas de jogos e placas gráficas têm ainda
exponenciais maiores, melhorando substancialmente a cada 6 meses.
A GPU da última nVidia GeForce FX tem 135 milhões de transístores!
Por volta de 2017 a lei de Moore será suplantada pelas leis da física que apenas permitem
encolher os transístores de um chip até um determinado limite. Mesmo assim é de esperar que
o poder computacional continue a aumentar graças a computadores não baseado em silício tais
como computadores quânticos, ópticos e de ADN.
Nota histórica
Os primeiros computadores dispunham apenas de impressoras
de caracteres como dispositivo de saída. Utilizavam-se técnicas
tais como half tone para se conseguir reproduzir imagens nas
impressoras.
Durante os anos 50 e 60, quando se acelerou o desenvolvimento
de tecnologias de Computação Gráfica, inventou-se um novo
conceito em visualização: em vez de caracteres, as imagens
passaram a ser geradas por um conjunto de pontos individuais
chamados pixel (picture element).
Dispositivos Gráficos
Classificação
Os dispositivos gráficos podem ser classificados, entre outros,
segundo dois pontos de vista:
No que se refere à finalidade podemos classificá-los como
dispositivos gráficos de entrada, ou de saída.
No que se refere ao formato dos dados podemos classificá-los
como dispositivos gráficos matriciais, ou vectoriais.

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Dispositivos Gráficos de Entrada
Nos dispositivos gráficos de entrada o termo matricial define
Uma classe de dispositivos em que os dados são colhidos em
conjunto e armazenados em forma de matrizes.
Por outro lado dispositivos vectoriais de entrada denotam
equipamentos através dos quais se pode colher dados
de forma isolada.
Funções dos Dispositivos Gráficos de Entrada
1. Controlo do cursor;
2. Digitalização de informações gráficas externas ao
computador;
3. Seleccionar comandos e funções.
Exemplos de Dispositivos Gráficos de Entrada
Teclado
Dispositivo vectorial. É o dispositivo mais comum de todos
os computadores. Como dispositivo gráfico de entrada é
utilizado quando nos valemos das teclas de função e de setas
Para movimentar um cursor sobre o ecrã de um monitor de
vídeo;
Rato
Dispositivo vectorial. O utilizador ao deslocar o rato
sobre uma mesa produz a rotação de uma esfera . Esta
rotação é convertida em impulsos e enviada ao
computador sob a forma de números que definem o
deslocamento do rato em relação a sua posição anterior.
É normalmente utilizado para mover um cursor sobre o
ecrã e permitir a criação de desenhos ou a escolha de
opções em menus, entre outras funções. Possui na sua
parte superior, um ou mais botões que ao serem
pressionados também geram sinais para o computador.

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Trackball
Dispositivo vectorial. Pode ser considerado um
rato de cabeça para baixo através do qual o
utilizador gira directamente uma esfera colocada
dentro de uma pequena caixa. Estes giros são
tratados de forma idêntica ao que
acontece com um rato de esfera.
Scanner
Dispositivo matricial. É um aparelho que possui
sensores capazes de detectar as mudanças de
coloração de uma superfície (desenhos e letras),
transferindo ao computador uma matriz de pontos
correspondentes a essas mudanças de coloração.
Mesa Digitalizadora
Dispositivo vectorial. É constituída por uma
mesa e por um apontador (caneta ou rato). Cada
vez que o utilizador toca na mesa com o
apontador é enviado ao computador a coordenada
desse ponto dentro da mesa. Existem três tipos
básicos de mesas digitalizadoras: mesa de sensores
por pressão; mesa de leitura eléctrica e mesas
acústicas.
Digitalizador 3D
Dispositivo vectorial. Consiste numa espécie
de braço mecânico com um sensor de toque na
ponta. Cada vez que o sensor atinge um ponto na
superfície de um objecto a coordenada 3D
deste ponto em relação a um ponto de
referência, é transmitida ao computador.

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Luva
Dispositivo vectorial. Uma maneira intuitiva de
comandar acções no mundo virtual é usar gestos
capturados por luvas, como puxar, empurrar, girar,
agarrar, soltar, tocar, etc. Uma luva é construída
com material leve com transdutores acoplados ao
longo dos dedos. Os transdutores podem ser strain
gages ou fibra óptica que têm suas características
alteradas pela tensão. Um rastreador no pulso
fornece o posicionamento e a orientação da mão
enquanto os transdutores dão os movimentos dos
dedos. Uma variação das luvas são aquelas com
reacção de força, constituídas de sensores e
actuadores, dando a impressão de toque real nos
objectos.
Dispositivos Gráficos de Saída
Para dispositivos gráficos de saída, por sua vez, o termo
matricial designa dispositivos cuja geração de imagens dá-se
"acendendo" ou "apagando" pontos de uma matriz.
Por outro lado, dispositivos vectoriais de saída são aqueles em
que as imagens são geradas através de comandos específicos
para a geração de primitivas gráficas como, por exemplo,
linhas e círculos.
Output Gráfico: Vectorial vs. Quadricula
Arquitectura Vectorial

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Arquitectura Raster (Quadricula)
Arquitectura Raster de 1 bit
Capacidade apenas para duas cores
O valor de intensidade é
convertido por um DAC num sinal
analógico que irá controlar o raio
de electrões
Arquitectura Raster de n-bits
Capacidade para 2n cores ou intensidades
A look-up table permite 2n
cores a partir de 224 cores para
usar numa imagem, e outras 2n
cores para usar noutra imagem
Funcioanemnto da Look-Up Table
O valor do pixel no frame buffer, serve de índice na Look-Up Table (CLUT), onde
está armazenada a cor.
Nos sistemas True Color, são usados 24 bits para representar a cor, 8 bits para
cada cor básica 224 = 16.7 milhões de cores, mais das que o olho humano pode
destinguir (entre 7 e 10 milhões)

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Exemplos de Dispositivos Gráficos de Saída
Traçador gráfico ou plotter
Dispositivo vectorial. É um dispositivo que utiliza uma caneta para riscar o papel.
Existem dois modelos básicos. Um onde o papel permanece fixo e a caneta
produz desenhos sobre o mesmo pela combinação de movimentos horizontais e
verticais, e outro onde o desenho é produzido pela combinação dos movimentos
do papel e da caneta (um ortogonal ao outro). Independente do modelo os
traçadores são, em geral, dispositivos que recebem comandos de alto nível que
especificam o traçado de pontos, linhas, círculos, arcos, etc.
Impressoras matriciais
Dispositivo matricial. Possuem uma cabeça onde estão montadas colunas de agulhas.
Estas agulhas são pressionadas contra uma fita gerando imagens no papel. Para se
obterem imagens colorias é necessário usar fitas de mais de uma cor como nas
máquinas de escrever.
Impressoras a jactos de tinta
Dispositivo matricial. Possuem na cabeça minúsculos tubos que injectam tinta sobre o
papel. Utilizando tintas de várias cores obtém-se imagens semelhantes a fotografias,
sendo esta sua grande vantagem.
Impressoras laser
Dispositivo matricial. São as que possuem melhor qualidade de imagem em preto e
branco. Funcionam de maneira semelhante às máquinas de fotocópias. A imagem é
magnetizada por laser num tambor sobre o qual é espalhado tonner que se concentra
nos pontos magnetizados. Em seguida o tambor é pressionado sobre o papel que
absorve a tinta. O grande problema das impressoras laser é que para poder gravar a
imagem sobre o tambor é necessário que a mesma seja mapeada em memória. Como a
resolução é muito alta esta memória tende a ser bastante grande (da ordem dos mega
bytes).

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Monitores de vídeo
Dispositivo matricial. É baseado num tubo de raios catódicos. Uma cápsula de vidro
de formato especial constitui o corpo e é suporte para todos os seus componentes
internos. A parte frontal do tubo é revestida com uma camada de fósforo, um
produto químico capaz de emitir luz quando bombardeado por electrões. O canhão
de electrões situa-se na extremidade oposta do tubo e é capaz de direccionar o
seu feixe para uma determinada posição do ecrã gerando assim um pixel. À medida
que deslocamos o feixe, o rastro de brilho que fica sobe a tela irá compor a
imagem. De tempos em tempos é necessário fazer um refresh da imagem (cerca de
60 vezes por segundo), ou seja, é necessário que o canhão redesenhe a mesma
imagem antes que o fósforo se apague. Desta maneira tem-se a ilusão de que a
imagem permanece "acesa".
HMD e óculos estereoscópicos
Tanto os capacetes como os óculos dão a noção de profundidade.
Os capacetes permitem a imersão, enquanto que os óculos não
fazem isto por si só, dependendo do ambiente de visualização.
Usando monitor, a visualização é não imersiva, enquanto que
dentro de uma CAVE tem-se a visualização imersiva. Os óculos
estereoscópicos funcionam com a comutação entre transparência
e escurecimento de cada lente, sincronizados com a apresentação
da imagem para cada olho no monitor. Como cada imagem é
desfasada de outra, em relação à distância, a comutação rápida da
imagem e da transparência/escurecimento das lentes faz com que a
pessoa tenha a sensação de estar a ver uma cena real
tridimensional. O capacete, por outro lado, apresenta duas imagens
desfasadas (uma para cada olho), directamente nos olhos do
utilizador. Como o capacete é rastreado, a movimentação da cabeça
faz com que as imagens sejam geradas, de acordo com a posição e
orientação do utilizador.
CAVE
Dispositivo matricial. O ambiente CAVE (Cave
Automatic Virtual Environment), desenvolvido
inicialmente na Universidade de Illinois, Chicago,
em 1992, tornou-se bastante popular pelas suas
características de imersão, tamanho real e
visualização em grupo. O ambiente é baseado
numa sala, onde as paredes, piso e teto são telas
que recebem a projecção sincronizada das
partes de um mundo virtual. A CAVE comporta-se
assim como uma bolha com os utilizadores
dentro, navegando no mundo virtual.

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