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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 1
Tema 1Tema 1
Tema 1. Introducción1.1 Gráficos e informática1.2 Ventajas de los gráficos interactivos1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática1.4 Dispositivos característicos1.5 Formatos de almacenamiento1.6 El proceso de visualización
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 2
1.1 Gráficos e informática
• Prehistoria– 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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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 3
– 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
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 4
– 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 Catmullen 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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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 5
• 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
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 6
• 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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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 7
• 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
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1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática
• Diseño asistido por computador– 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
• Gráficos de presentación– 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
ComidasTransporte
Alojamiento
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 10
1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática
• Creaciones artísticas– 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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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 11
1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática
• Entretenimiento– Áreas
• Cine: (Tron, Toy Story, etc.)• Televisión (Cortinillas, cabeceras,
etc.)• Juegos por computador
– Técnicas• Animación• Visualización realista• Efectos especiales (Ej. morphing)• Interactividad
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 12
1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática
• Simulación y entrenamiento– 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 • realidad virtual
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 13
1.3 Aplicaciones de los gráficos en informática
• Visualización científica y médica– 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
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 14Gràfics per Computador
1.4 Dispositivos característicos: salida
Con
ecto
res
CañónRejilla
EnfoqueDeflexiónvertical
Deflexiónhorizontal
Rayo
Fósf
oro
• 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.– La deflexión hace apuntar el rayo a un punto de la pantalla.– El rayo impacta contra el fósforo que emite luz.– La emisión del fósforo decae rápidamente (refresco)
Terminal gráfica: monitor + controlador + memoria
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 15
• 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 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
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 16
Rayo
Pixel
Pantalla
1.4 Dispositivos característicos: salida
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 17
1
1
RegistroCRT
Raster
Frame Buffer
Registros
CRTRaster
10
10
00
Frame Buffer
3Blue
GreenRed
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
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 18
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.
•Otras tecnologías: plasma (voltajes altos a gases de baja presión (xenón) que pasan al gas de estado gaseoso a plasma produciendo luz)
1.4 Dispositivos característicos: salida
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 19
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.
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 20
1.4 Dispositivos característicos: entrada
•Teclado, ratón
•Trackball, tableta digitalizadora, lápiz óptico
•Digitalizadores 3D, joysticks (2D y 3D)
•Guantes 3D, sistemas de captura de movimiento
•Sistemas específicos (simulador de avión, automóviles etc.)
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 21
2.5 Formatos de almacenamiento
Representación• 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.
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 22
2.5 Formatos de almacenamiento
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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 23
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 entreel programa y el hardware
•Salida: visualización de los datos en pantalla•Entrada: interacción con el usuario
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 24
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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Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 25
1.6 El proceso de visualización
Recorridode la
escena
Transformacióndel modelo
Transformaciónde la vista Recortado
ProyecciónEliminación decaras ocultas
Iluminación
Conversiónal raster
Muestra en pantalla
Transformacióndel dispositivo
Proceso de visualización 3D
Gràfics per Computador 2004/2005 Tema 1. Introducción 26
1.6 El proceso de visualización
Proceso de visualización 2D
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