02.introducao a computação gráfica
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Introdução e Conceitos BásicosDisciplina: Introdução à Computação Gráfica
Prof. Kelson Rômulo Teixeira Aires
Bacharelado em Ciência da ComputaçãoDIE - CCN - UFPI
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Motivação
A Computação Gráfica (CG) está presente em diversossegmentos da atividade humana;
Por exemplo, nas artes, medicina, arquitetura, segurança pública,propaganda, processamento de dados, lazer, educação, etc;
Praticamente tudo que poderíamos realizar por meios tradicionaispode ser tratado mais rápida e eficientemente com a CG.
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Conceitos Básicos
Imagens geradas por computador, revistas, jogos, web, cinema,etc.
Ferramentas:I Hardware: monitores, placas, scanners
I Software: bibliotecas (OpenGl, DirectX, etc)
Campos de estudo: Programação, Matemática, Arte, Medicina,Engenharia, Meteorologia
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Aplicações
Desenho Assistido por Computador (CAD);
Sistemas de Informações Geográficas (GIS);
Visualização Científica;
Visualização Médica;
Educação;
Entretenimento.
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Primeira geração: Wireframe
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Segunda geração: Sólidos com sombreamento
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Terceira geração: Texturização
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Quarta geração: Programação
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Quinta geração: Iluminação global
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Áreas da Computação Gráfica
Sendo uma das grandes áreas da Ciência da Computação,podemos dividir a Computação Gráfica em três subáreas:
I Síntese de ImagensF representação visual de objeto criado por computador a partir de
especificações geométricas e visuais de seus componentesI Processamento de Imagens
F tratamento da imagem em sua forma digital, suas transformações emelhoramentos
I Análise de ImagensF especificação dos componentes da imagem a partir de sua
representação visual
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Áreas da Computação Gráfica
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Dimensões Matemáticas
O conceito de dimensão permite várias definições, conforme aárea de aplicação ou interesse. No sentido comum pode referir-seao tamanho ou extensão de um objeto;
Neste caso, por exemplo, um simples ponto possui dimensãozero, enquanto que uma linha, seja ela reta ou curva, possuidimensão 1;
Uma área superficial possui duas dimensões, enquanto que umcerto volume é tridimensional.
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Dimensões para Computação Gráfica
Se uma representação (imagem) é realizada sobre uma superfícieplana ela é dita ser de 2 dimensões (2D), uma vez que o espaçoplano requer dois parâmetros para identificar seus pontos.
Se desejamos representar objetos dispostos espacialmente entãodizemos que a imagem é de 3 dimensões (3D).
Uma vez que os dispositivos de saída gráfica mais comuns sãodispositivos (2D), mesmo as cenas manipuladas em (3D) devemser reduzidas, por projeção, para imagens (2D).
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Noções de EspaçoSistema de Coordenadas:
I Através dos eixos X e Y do Plano Cartesiano é possívelrepresentar um ponto em qualquer lugar de um espaçobidimensional (2D)
I Adicionando um terceiro eixo z ao sistema de coordenadaspodemos representar um ponto em qualquer lugar do espaçotridimensional X, Y e Z
y
x
z
0
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Sistemas de CoordenadasPodem ser usados diferentes sistemas de coordenadas. Fornecendouma referência em termos de medidas do tamanho e posição
Coordenadas Esféricas: raio e dois ângulosCoordenadas Cilíndricas: raio, ângulo e comprimentoCoordenadas Polares: raio e ângulo
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Sistemas de Referência
Sistemas de coordenadas cartesianas com finalidade específica;
Dois aspectos principais a serem definidos:I unidade de referênciaI limites extremos dos valores aceitos para descrever os objetos
Alguns sistemas recebem denominações especiais.
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Sistemas de Referência
Sistema de Referência do UniversoI utilizado para descrever os objetos em termos das coordenadas
utilizadas em determinada aplicaçãoI cada aplicação especifica seu SRU
Sistema de Referência do ObjetoI cada objeto como uma cópia menor do universo onde está inseridoI centro do sistema de coordenadas como sendo o seu centro de
gravidadeSistema de Referência do Dispositivo
I coordenadas podem ser fornecidas diretamente para umdispositivo de saída
I hardware o sistema de coordenadas depende da resoluçãopossível e da configuração definida pelo usuário (resolução)
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Sistema de Referência Normalizado
Utiliza coordenadas normalizadasI valores entre 0 e 1
Serve como um SR intermediário entre o SRU e o SRD
Principal função: tornar a geração das imagens independente dodispositivo
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Transformações entre os Sistemas
Objetivo: visualização de dados em um dispositivo qualquerNecessidade: definir razões e proporções entre cada um dossistemasConsequência: aproximações resultarão em perdas
Sistema de Referência
do Universo
Sistema de Referência Sistema de Referência Sistema de Referência
do Objeto Normalizado do Dispositivo
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Primitivas Geométricas
PontoI define uma coordenada (x,y,z) no espaço tridimensional e apenas
isso, ele não possui tamanho e não possui formaLinha
I consiste em todos os pontos entre quaisquer dois pontos distintos,e é definida pelos mesmos
I toda linha tem um comprimento, mas nenhuma possui largura ouprofundidade, significando que possui apenas uma dimensão
TriânguloI consiste em todos os pontos situados entre três pontos no espaço
não colinearesI todo triângulo possui altura e largura definidas, mas nenhum possui
profundidade, significando que possui apenas duas dimensõesI tipo mais simples de polígono
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Polígonos e PoliedrosPolígono: reunião de um número finito de regiões triangularesnão-sobrepostas e coplanares;Um conjunto de polígonos, no mesmo plano, forma uma imagem2D;Placas de vídeo trabalham desenhando triângulo por triângulo;Poliedro: conjunto de polígonos que cercam uma parte do espaçotridimensional;O poliedro possui altura, largura e profundidade;Primitiva a ser utilizada para criar imagens 3D.
Polígonos Poliedro
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Percepção Tridimensional
Percepção da profundidade em imagens tridimensionais.Informações Monoculares
I PerspectivaI Conhecimento prévio do objetoI OclusãoI Densidade de texturasI Reflexão da luzI Sombras
Informações Visuais Oculo-monotorasI Acomodação e Vergência
Informações Visuais Estereoscópicas
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Representações Gráficas
Gráficos Vetoriais: coleções de objetos geométricosI pontosI retasI curvasI planosI polígonos
Gráficos Matriciais: coleções de objetos geométricosI amostragem em grades retangularesI tipicamente, imagens digitaisI matrizes de pixelsI pixel representa uma cor: densidade ou intensidade de algum
campoI dados volumétricosI imagens médicas
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Representação Vetorial
Permite uma série de operações sem (quase) perda de precisãoI transformações lineares / afimI deformações
Por que “quase”?I estruturas de dados utilizam pontos e vetores cujas coordenadas
são números reaisI necessário usar aproximações: representação em ponto-flutuante,
números racionais
Complexidade de processamento = O (no vértices / vetores)
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Representação Matricial
Representação flexível e muito comum
Complexidade de processamento = O (no de pixels)
Muitas operações implicam em perda de precisão(reamostragem)
I Ex.: rotação, escala
Técnicas para lidar com o problemaI Ex.: técnicas anti-serrilhado (anti-aliasing)
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Representação Vetorial e Matricial: Exibição
Representação Vetorial
Representação Matricial
Rasterização Reconhecimentode Padrões
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Arquitetura de Sistemas Gráficos
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Arquitetura de Sistemas Gráficos
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Processador Gráfico
Hardware especializado
Uso de paralelismo para atingir alto desempenho
Alivia a CPU do sistema de algumas tarefas, incluindo:I transformações: rotação, translação, escala, etcI recorte (clipping): supressão de elementos fora da janela de
visualizaçãoI projeção (3D→ 2D)I mapeamento de texturasI rasterizaçãoI amostragem de curvas e superfícies paramétricas
Normalmente usa memória separada
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