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Computação Gráfica Mauricio Cunha Escarpinati Aula 2 - Dispositivos Gráficos.

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2 Computação Gráfica Mauricio Cunha Escarpinati escarpinati@gmail.com Aula 2 - Dispositivos Gráficos

3 Aplicações Desenho Assistido por Computador (CAD). Desenho Geométrico Assistido por Computador (CAGD). Sistemas de Informações Geográficas (GIS). Visualização Científica. Visualização Médica. Educação. Entretenimento.

4 Esquema de Relacionamento

5 Áreas Relacionadas Computação Algoritmos Estruturas de Dados Métodos Numéricos Matemática Geometria, Álgebra Linear Física Ótica Mecânica Psicologia Percepção Artes

6 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

7 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 01 01 00 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 00 00 02 01 01 02 01 01 00 01 01 01 00 00 01 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 32 00 01 01 01 01 00 00 00 01 01 01 30 32 30 30 31 35 35 00 01 00 00 01 01 00 32 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 30 02 00 03 00 30 35 35 36 36 36 36 36 34 32 01 01 01 01 02 00 00 00 00 00 01 30 32 03 03 03 32 35 35 00 00 00 00 00 33 32 01 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 30 31 30 35 35 32 00 00 00 00 00 00 00 33 32 01 01 01 01 02 01 01 01 00 01 00 30 35 35 35 35 32 00 00 00 00 00 00 00 33 33 01 01 01 01 00 01 00 01 00 01 00 35 30 32 31 30 32 00 00 00 00 00 00 00 33 33 31 01 01 01 01 00 02 01 01 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 33 33 31 01 01 01 00 01 02 02 02 01 01 01 00 01 02 02 01 00 01 02 01 01 01 00 00 35 01 01 01 01 00 01 01 02 02 01 00 00 01 01 00 00 01 00 01 02 00 00 01 02 00 35 01 01 01 01 00 01 00 02 02 01 01 00 02 00 01 01 00 01 00 01 01 01 00 00 00 35 01 01 01 01 00 01 01 02 01 02 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 02 02 00 01 00 35 01 01 01 01 00 01 00 02 01 00 02 00 00 33 34 34 34 34 33 00 00 00 00 00 00 35 01 01 01 01 00 01 00 02 02 01 01 00 32 31 32 33 34 34 35 35 35 35 35 35 35 35 01 01 01 01 00 01 00 00 00 00 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 32 32 33 32 35 35 01 01 01 01 00 01 00 01 00 00 32 32 03 00 00 00 00 00 00 00 00 00 02 33 35 35 00 01 01 01 01 02 01 02 00 32 32 03 03 03 03 03 03 00 00 00 00 00 33 35 35 35 00 01 01 01 00 02 01 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 00 00 03 00 02 35 35 35 35 00 01 01 01 01 00 00 32 32 03 03 03 03 03 03 03 00 00 03 03 03 34 35 35 33 00 00 01 01 01 02 00 31 35 34 33 33 02 02 03 03 03 03 03 03 00 34 35 35 34 01 01 00 01 01 01 02 00 35 35 35 35 35 35 35 35 34 34 34 02 00 00 34 35 34 01 00 01 00 01 01 01 02 00 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 34 35 35 33 01 00 00 00 01 01 01 01 00 35 34 35 35 35 35 36 35 35 35 34 34 35 35 35 34 00 01 00 00 00 01 01 01 01 00 33 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 33 00 01 00 00 00 01 01 01 00 00 01 01 02 00 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 34 00 00 00 00 00 00 01 01 01 00 00 01 01 02 01 00 01 00 00 00 32 33 34 35 35 33 00 00 01 00 00 00 01 01 01 00 00 01 01 02 01 02 01 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 02 02 02 00 01 01 01 01 00 00 01 01 01 02 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 01 00 00 01 01 01 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

8 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 vetoriais para matriciais. Transformar domínio contínuo em domínio discreto.

9 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.

10 Conversão entre representações

11 Monitores de Vídeo Introdução 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.: 2 24 )

12 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) 2 8 x 2 8 x 2 8 = 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 Vídeo Introdução

13 Monitores de Vídeo Ilustração Tabela de Cores 01 02 04 03 06 02 07 08 01 07 02 06 01 02 04 03 06 01 03 05 01 06 Imagem 01 02 03 04 05 06 07 08 150 250 154 96 200 07 164 196 R 150 253 56 105 101 211 256 B 108 168 180 101 256 111 10 132 G Tabela de Cores

14 Imagem 256 1801542062001022561971100 13112714597160826677219202256 5175131842119949371566811098 58255252249106126116320 625 56 787689 1342121630822711580 962561566287 35 5616 256 Monitores de Vídeo Ilustração RGB

15 RGB x Tabela de Cores Comparação Imagem utilizando uma combinação com 16 milhões de cores sem mapa de cores Imagem utilizando mapa de cores com 256 entradas

16 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

17 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

18 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 Vídeo Por Varredura (Matricial) Dot Pitch

19 Monitores de Vídeo Por Varredura Esquema de um Monitor de Vídeo por CRT

20 Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial) 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.

21 Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial) 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 em retângulos 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.

22 Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial)

23 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 Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial)

24 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); Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial) Controladora de Vídeo

25 Varredura por Entrelaçamento Monitores de Vídeo Por Varredura (Matricial)

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27 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 Vídeo Vetoriais

28 Monitores de Vídeo LCD 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.

29 Monitores de Vídeo LCD 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.

30 Monitores de Vídeo LCD

31 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...

32 Monitores de Vídeo LCD 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;

33 Monitores de Vídeo Plasma 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.

34 Monitores de Vídeo Plasma

35 Monitores de Vídeo FED 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;

36 Monitores de Vídeo FED

37 Monitores de Vídeo LED – FULL LED - OLED

38 Sistemas Gráficos Arquitetura

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40 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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