Tema 1. Tema Gráficos e informática. Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 1

Gràfics per Computador

Tema 1. Introducción

Tema 1

_{Tema 1}

Tema 1. Introducción

1.1 Gráficos e informática

1.2 Ventajas de los gráficos interactivos

1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

1.4 Dispositivos característicos

1.5 Formatos de almacenamiento

1.6 El proceso de visualización

1.1 Gráficos e informática

– Whirlwind: Sistema defensivo de radar (1951). Origen de los gráficos por computador.

– DAC-1: IBM & General Motors, sistema de representación 3D de un automóvil.

• Avances en los 60

– Skechpad: Ivan Sutherland, considerado el padre de la I.G., crea un programa interactivo de dibujo.(1961)

– SpaceWar: Steve Russell (MIT) diseña el primer vídeojuego sobre un DEC PDP-11. (1961)

– Primeros cortos de animación para simulación de efectos físicos (gravedad, movimiento, etc.) (1963)

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– Sutherland (MIT) inventa el primer casco de visualización estereoscópica (1966)

– Primer algoritmo de superficies ocultas, Catmull y otros en la Universidad de Utah. Finales de los 60.

– El mismo equipo empieza a interesarse por el realismo mediante sombreado de superficies con color.

• Avances en los 70

– Introducción de los gráficos por computador en la televisión en manipulación de imagen.

– Gouraud presenta su famoso método para el suavizado de superficies poligonales.(1971)

– Comercialización del microprocesador (1971)

– Fundación de Atari, empresa impulsora de los videojuegos (1972).

1.1 Gráficos e informática

– Primeros intentos de introducción de la I.G. en el cine.

– Newell en la U. de Utah crea la famosa tetera, banco de pruebas hasta nuestros días.

– Comienzo de las texturas y Z-Buffer: tesis de Catmull en el 74.

– Phong desarrolla su método de suavizado de superficies poligonales (1974).

– 1975 Baum y Wozniak crean Apple en un garaje. – Gates funda Microsoft (1975).

– Lucasfilm crea la división de gráficos por computador con los mejores talentos del momento (1979).

1.1 Gráficos e informática

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• Avances en los 80

– Popularización del SIGGRAPH como el evento anual más importante en el área.

– Whitted publica un articulo sobre la técnica del trazado de rayos. 1980.

– Carpenter, en Lucasfilm, construye el primer motor de rendering: el REYES, precursor del Renderman.(1981) – Realización de la película TRON de Lisberger y Kushner en la

Disney (principios de los 80)

– Venta masiva de terminales gráficas: IBM, Tektronix. – Aparece el primer estándar ISO y ANSI como norma de

construcción de librerías gráficas: el GKS. – IBM crea el Personal Computer PC.

1.1 Gráficos e informática

• Avances en los 90 y actualidad

– Aparición del sistema operativo basado en ventanas para PC (Windows 3.0 en 1990).

– Aparición de 3D-Studio de Autodesk (1990).

– Utilización masiva del ordenador para la creación de efectos especiales: Terminator 2 (1991), Disney-Pixar (Toy Story, Bichos, Monstruos S.A.), Forrest Gump, Parque Jurásico, El Señor de los Anillos, Episodios I, II y III de Star Wars etc. – Gran auge de Internet y aplicaciones 2D y 3D para la red. – Aceleradoras gráficas 3D para PC (Voodoo, Nvidia Gforce

etc.). Imparable evolución de los juegos 3D. – Realidad Virtual. Una realidad.

– Actualmente: imprescindible en todas las aplicaciones.

1.1 Gráficos e informática

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•

Mejor reconocimiento de la información

•

Mayor densidad de información

•

Relaciones entre objetos (interactividad)

•

Uso del color

•

Mayor productividad (eficiencia, costes de utilización)

1.2 Ventajas de los gráficos interactivos

1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– CAD: (Computer Aided Design)

• Herramientas gráficas que permiten diseñar

prototipos y evaluarlos antes de construirlos

– Áreas importantes

• Diseño industrial

• Arquitectura

• Circuitería eléctrica

• Circuitos impresos e integrados

– Técnica habitual

• Diseño basado en primitivas constructivas,

superficies curvas, etc.

– Otras posibilidades

• Realidad virtual, presentación realista, sugerencias constructivas, análisis del diseño, conexión con el sistema de fabricación (CAM)

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1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– Uso de los gráficos para producción de ilustraciones de soporte a informes y trabajos

– Áreas de mayor uso • Economía • Estadística • Matemáticas • Administración y gestión – Técnicas principales • Gráficos de línea • Gráficos de barra • Gráficos de tarta • Superficies 3D Comidas Transporte Alojamiento Ene Feb Mar Abr May Jun 0 5 10 15 20 25 30 Ene Feb Mar Abr May Jun Ene Feb Mar Abr May Jun

1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– En este campo se producen imágenes con un fin artístico o comercial

• Diseño de logotipos • Bellas Artes

• Animaciones publicitarias – Técnicas y software

• Programas tipo “PhotoShop”,

“CorelDraw”, “Freehand” ... • Programas de soporte a la animación • Técnicas de tratamiento de imagen • Técnicas de “rendering”

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1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– Áreas

• Cine: (Tron, Toy Story, etc.) • Televisión (Cortinillas, cabeceras,

etc.)

• Juegos por computador – Técnicas

• Animación

• Visualización realista

• Efectos especiales (Ej. morphing) • Interactividad

1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– Áreas

• Simulación de conducción

– Simuladores de vuelo, de automóviles • Simulación de procesos

– Paneles de procesos industriales • Entrenamiento

– Montaje y operación de equipos, medicina • Enseñanza

– Infantil – Técnicas

• Tiempo real, Interactividad – Equipamiento

• Equipamiento específico (Ej. Simuladores de vuelo) – Nuevas técnicas

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1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática

– Visualización gráfica de gran cantidad de datos

– Áreas

• Medicina (Ej. Resonancias) • Ingeniería (Ej. Esfuerzos en

mecanismos)

• Física (Ej. Campos)

• Química (Ej. Interacción molecular) • Matemáticas (Ej. Solución a

ecuaciones)

• Topografía y oceanografía (Ej. Terrenos

y corrientes)

– Técnicas

• Codificación por color • Curvas de nivel

• Visualización de volúmenes

1.4 Dispositivos característicos: salida

Co

n

ecto

res

Rejilla

Enfoque

Deflexión

vertical

Deflexión

horizontal

Rayo

Fós

foro

• Características de los CRT (Tubos de rayos catódicos) – El cañón emite electrones (cátodo).

– La intensidad del rayo se controla con la rejilla.

– El enfoque hace que los electrones describan una trayectoria convergente.

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• Terminales vectoriales • Terminales de barrido

– La pantalla está compuesta por pixels (puntos iluminables)

– El rayo recorre la pantalla de izquierda a derecha y de arriba a abajo iluminando pixels – La imagen se almacena en la memoria de

vídeo o refresco (frame-buffer)

– El frame-buffer y los píxels en pantalla se recorren simultáneamente convirtiendo la codificación digital del color en intensidades de los rayos

– Consideraciones

– Resolución Ù Dimensiones en pixels

– Aliasing

– Frecuencia de barrido constante

– Posibilidad de color (n bits por píxel => 2n_colores)

– Diferencias entre modos de color de alta densidad (16bits/pixel) y color verdadero (24bits/pixel) con modos paleta

1.4 Dispositivos característicos: salida

Rayo

Pixel

Pantalla

1.4 Dispositivos característicos: salida

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Frame Buffer

Frame Buffer

3

Dispositivo Gráfico Raster CRT con Frame Buffer B/N de un plano de 1 bit

Frame Buffer de color simple

1.4 Dispositivos característicos: salida

Monitores de cristal líquido (LCD)

•Los cristales líquidos son sustancias que exhiben propiedades de líquidos y sólidos

•Cuando la luz pasa a través de un LC sigue el alineamiento de sus moléculas

•Si se les aplica voltaje cambia el alineamiento de sus moléculas y consecuentemente la forma en la que la luz lo atraviesa

•Los displays se forman como paneles de LC (entre dos filtros polarizadores) y una luz trasera (normalmente un cátodo frío)

•Tecnologías más usadas: DSTN (dual-scan twisted nematic) y TFT (thin film transistor)

•TFT: una matriz extra de transistores (1 por cada color, RGB, de cada píxel) y que permiten mayor rapidez (evita ghosting), luz y contraste

•Ventajas respecto a CRT: refrescos más bajos (sentido únicamente para animación), menor consumo, menor espacio

•Inconvenientes respecto a CRT: resoluciones fijas, menor ángulo de visión.

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Tema 1. Introducción

1.4 Dispositivos característicos: salida

•Relacionados con realidad virtual y entornos inmersivos: gafas y cascos esteroscópicos (E/S), caves.

•Dispositivos de impresión: impresoras y plotters.

1.4 Dispositivos característicos: entrada

•Trackball, tableta digitalizadora, lápiz óptico •Digitalizadores 3D, joysticks (2D y 3D)

•Guantes 3D, sistemas de captura de movimiento

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2.5 Formatos de almacenamiento

• Vectorial

• Mapa de bits (bitmap) Definiciones

• Representación bitmap

• La imagen se descompone en píxels. El valor de cada uno de ellos se guarda individualmente.

• Es de fácil implementación y funciona, con limitaciones (considerar aliasing), con cualquier tipo de imagen.

• Representación vectorial

• Las imágenes se representan mediante formas geométricas (líneas, círculos, curvas etc.)

• Se almacenan los parámetros que definen las formas geométricas

Aplicaciones

• Bitmaps: Variaciones complejas de color, como fotografías e imágenes reales o de difícil vectorización.

• Vectores: Dibujo lineal, CAD, imágenes con formas y coloraciones simples.

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Tema 1. Introducción

1.6 El proceso de visualización

Aplicación gráfica

=

Hardware (dispositivos gráficos + computador)

+

Software (modelo + programa + paquete gráfico)

–Modelo: datos referentes a los objetos •Geometría, propiedades (color, material, textura, etc.), estructuras jerárquicas, etc. –Núcleo o programa: maneja la información del modelo

•Añadir, modificar y borrar datos, tratamiento de las acciones del usuario

–Paquete o sistema gráfico: interfaz entre el programa y el hardware

•Salida: visualización de los datos en pantalla •Entrada: interacción con el usuario

1.6 El proceso de visualización

•El proceso de síntesis de una imagen (proceso de visualización) es el

conjunto de operaciones (en 3D y en 2D) sobre un modelo informático

de datos que resultan en una representación gráfica del mismo en un

dispositivo físico de representación

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Tema 1. Introducción

1.6 El proceso de visualización

Recorrido

de la

escena

Transformación

del modelo

Transformación

de la vista

Recortado

Proyección

Eliminación de

caras ocultas

Iluminación

Conversión

al raster

Muestra en

pantalla

Transformación

del dispositivo

Proceso de visualización 3D

1.6 El proceso de visualización

Proceso de visualización 2D