2. Dispositivos de
Visualização
Antonio L. Bajuelos
l
Departamento de Matemática
Universidade de Aveiro
1
Resolução Gráfica
?
Virtualmente todos os dispositivos de I/O gráficos usam
uma malha rectangular de posições endereçáveis
(rectângulo de visualização).
Def A resolução gráfica de um dispositivo é o número de
Def.
posições (ou pontos, ou pixels) horizontais e verticais que
ele pode distinguir.
?
Existem 4 parâmetros que definem a resolução
? ndh
- o número de posições endereçáveis
horizontalmente
? ndv - o número de posições endereçáveis verticalmente
? width - a largura do rectângulo de visualização em mm
? height - a altura do rectângulo de visualização em mm
2
1
Resolução Gráfica (continuação)
?
A partir desses 4 parâmetros (ndh, ndv, width e height),
vários números interessantes podem ser calculados:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
densidade horizontal:horiz_den:= ndh/width
tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size:
horiz dot size:= width/ndh
densidade vertical: vert_den:= ndv/height
tamanho ponto vertical: vert_dot_size:= height/ndv
total pontos endereçáveis: total_nr_dots:= ndh*ndv
resolução de área: area_res:= total_nr_dots/(width*height)
razão de aspecto gráfica:
aspect_ratio:= vert_dot_size/horiz_dot_size
razão de aspecto física:
physical_aspect_ratio:= height/width
Notas:
O ideal seria ter um aspect ratio igual ou próximo de 1.
3
Sistemas de Coordenadas
?
?
É necessário definir sistemas de coordenadas para quantificar os dados
Os pixels são endereçados por dois números inteiros que dão suas
coordenadas horizontal e vertical, dcx, e dcy, respectivamente, onde:
0 ≤ dcx ≤ ndh1 = ndh –1, 0 ≤ dcy ≤ ndv1 = ndv –1
?
?
?
O pixel endereçado como (0,0) está geralmente no canto inferior esquerdo do
rectângulo de visualização. As coordenadas (dcx,dcy) são chamadas de coordenadas
do dispositivo, e podem assumir apenas valores inteiros.
As coordenadas do dispositivo podem variar bastante para diferentes
equipamentos, o que levou à utilização de coordenadas normalizadas
do dispositivo (NDC - Normalized Device Coordinates), para efeito de
padronização (ndcx,ndcy).
As NDCs são variáveis reais, geralmente definidas no intervalo:
0 ≤ ndcx ≤ 1, 0 ≤ ndcy ≤ 1
?
A coordenada NDC (0,0) corresponde à origem (0,0) nas coordenadas do dispositivo, e
a coordenada NDC (1,1) refere-se ao pixel no canto superior direito, que
corresponde ao pixel (ndh1,ndv1) nas coordenadas do dispositivo.
4
2
Sistemas de Coordenadas (cont.)
A vantagem da utilização de NDCs é que padrões gráficos podem ser
discutidos usando um sistema de coordenadas independente de
dispositivos gráficos específicos.
Os dados gráficos precisam ser transformados do sistema de
coordenadas independente
p
para o sistema de coordenadas do
p
dispositivo no momento de visualização.
?
?
?
O mapeamento de NDCs (reais) para coordenadas do dispositivo
(inteiros) é "linear", por exemplo:
dcx = round (ndcx * ndh1), dcy = round (ndcy * ndv1)
Um sistema muito útil é o sistema de coordenadas do mundo, ou
sistema de coordenadas do usuário, que consiste de coordenadas
cartesianas (x,y), num intervalo qualquer definido pelo usuário:
xmin ≤ x ≤ xmax,
xmax ymin ≤ y ≤ ymax
A transformação de coordenadas do usuário (x,y) para NDCs
(ndcx,ndcy), denominada transformação de visualização, é dada por:
ndcx = (x – xmin) / (xmax – xmin),
ndcy = (y – ymin) / (ymax – ymin)
?
?
5
Formato de Dados Gráfico
?
Existem dois formatos básicos para a
representação e o armazenamento de dados
gráficos no computador:
formato vectorial,
vectorial
? o formato matricial
?o
?
?
O formato vectorial é utilizado para descrever a
estrutura geométrica dos objectos gráficos.
O formato matricial está frequentemente
associado à imagem digital.
6
3
Formato de Dados Gráfico (cont…)
?
Formato Vectorial
? Os
dados são representados por unidades básicas de
informação, descritas por coordenadas em um espaço
vectorial.
? Os elementos são associados a posições ou a vectores
deste espaço.
? relativamente às posições… podem ser utilizados
na especificação dos pontos iniciais e finais de
segmentos de recta, vértices de polígonos e malhas
de controlo de curvas e superfícies paramétricas
? relativamente a vectores… podem especificar
f
forças,
di
direcções
õ ou orientações.
i t õ
? A dimensão do espaço vectorial determina o número
de coordenadas de seus elementos básicos.
? As coordenadas do espaço podem ser representadas
por números reais ou inteiros, respectivamente.
7
Formato de Dados Gráfico (cont…)
?
Formato Matricial
imagem matricial é uma matriz M x N onde cada
elemento da matriz é um elemento de um espaço
vectorial V.
V
? O caso mais comum é quando V é um espaço de cor.
? Chama-se resolução da imagem à ordem M x N da
matriz.
? Define-se imagem volumétrica tomando matrizes de
ordem M x N x P, onde cada entrada também é um
elemento do espaço de cor.
? Cada elemento da matriz é chamado de pixel.
? Uma
8
4
Formato de Dados Gráfico (cont…)
? Conversão entre Formatos
?
A conversão entre formatos é desejável e muitas vezes necessária.
? Rasterização – transformação de dados do formato vectorial para
o matricial.
matricial
?
Segmentação – transformação de dados do formato matricial para
o formato vectorial. Essa conversão em alguns casos, não é bem
definida sendo impossível de ser realizada.
definida,
realizada
9
Dispositivos de Visualização
? Classificação
? Toda
imagem criada através de recursos computacionais
deve ser representada em algum dispositivo físico que
permita a sua visualização.
visualização
? É possível classificar os dispositivos de visualização em
duas principais categorias, segundo a forma pela qual
as imagens são geradas:
? dispositivos vectoriais - conseguem traçar segmentos de
recta perfeitos entre dois pontos da malha finita de
pontos
t definida
d fi id por suas superfícies
fí i de
d exibição
ibi ã
? dispositivos matriciais - apenas conseguem traçar pontos,
também em uma malha finita. Assim, segmentos de
recta são traçados como sequências de pontos próximos.
10
5
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
?A
evolução dos equipamentos gráficos reflecte o
desenvolvimento da CG.
? Inicialmente havia uma grande preocupação com a
modelagem geométrica ? dispositivos vectoriais
? Depois, com a ênfase na síntese de imagens ?
dispositivos matriciais
? Actualmente ? soluções integradas i.e. que combinem a
utilização dos dois tipos de dispositivos
? De modo g
geral:
?
?
Dispositivos do tipo matricial estão relacionados com a exibição
e o processamento de imagens.
Dispositivos do tipo vectorial estão vinculados a especificação e
manipulação dos modelos geométricos.
11
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Os
dispositivos do tipo matricial necessitam do uso de
muita memória para armazenar a imagem.
? Os
O dispositivos
di
ii
d tipo
do
i matricial
i i l foram
f
i
impulsionados
li
d
na década de 80 por dois factores:
? A queda do preço da memória,
? A revolução nas comunicações que a televisão
provocou.
? Os avanços
ç recentes nas áreas de supercomputação
p
p ç e de
computação paralela têm tido um impacto significativo
nos dispositivos de processamento gráfico.
12
6
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Em relação ao critério funcional, dividem-se
os dispositivos gráficos em:
? Dispositivos de entrada
? Dispositivos de processamento
? Dispositivos de saída
13
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Dispositivos de Entrada Gráfica (DEG)
São dispositivos de captação de informação
gráfica.
gráfica
? Do ponto de vista do formato da imagem estes
dispositivos podem ser classificados como
vectoriais e matriciais
? Os DEG vectorial são em sua maioria utilizados
como componentes de estações interactivas.
Exemplo:
p mouse
? Os DEG matricial são tradicionalmente utilizados
de modo não interactivo devido, principalmente,
ao grande volume de dados que devem ser
manipulados. Exemplo: scanner
?
14
7
Dispositivos de Visualização
?
Classificação (cont…)
?
Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV)
Com sistemas de coordenadas absolutos
Light pen –
? Dispositivo bidimendional que funciona acoplado a um terminal de vídeo.
? É composto por uma caneta com uma foto-célula na ponta ligada ao
circuito de vídeo do terminal.
? Actualmente em desuso devido a alguns problemas técnicos apresentados.
? Touch pannel –
? Dispositivo bidimensional que deve ser integrado a um terminal de vídeo.
? Consiste em uma tela transparente, sensível ao toque, que é sobreposta à
tela do terminal.
? Apresenta severas limitações em termos de resolução pelo que é indicado
apenas para a selecção de objectos gráficos apresentados na tela.
? Tablet (
(messa digitalizadora)
g
)–
? consiste em uma base plana e um instrumento indicador em forma de
caneta ou bloco
? A tablet em geral é um dispositivo bidimensional.
? Em alguns dispositivos é possível especificar a pressão exercida na ponta da
caneta e também a sua direcção.
? Existe o 3d digitizer que permite digitalizar directamente pontos na
superfície de um objecto tridimensional.
?
15
Dispositivos de Visualização
?
Classificação (cont…)
?
Dispositivos de Entrada Vectorial (DEV)
Com sistemas de coordenadas absolutos
Light pen –
?
?
Touch pannel –
Tablet (messa digitalizadora) –
16
8
Dispositivos de Visualização
Classificação (cont…)
?
? Dispositivos
de Entrada Vectorial (DEV)
Com sistemas de coordenadas relativos
? Mouse ? É um dos dispositivos de entrada gráfica mais comuns actualmente.
? Consiste em um pequeno bloco com botões de pressão, que se
comunica com o computador.
?
Trackball ?
?
?
É constituída por uma esfera que gira livremente numa base.
Os movimentos de rotação em relação aos dois eixos ortogonais são
transformados em informação de posição de maneira semelhante à
do mouse.
Joystick ?
?
?
É formado por uma haste conectada a uma base.
O movimento da haste é transformado em um vector de velocidade
que controla a variação dos dados posicionais.
É utilizado com frequência como interface de entrada dos videogames.
17
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)
A estrutura dos dispositivos
p
de entrada do tipo
p
matricial consiste em um sensor que capta sinais no
espaço ambiente e um circuito digitalizador que
converte esses sinais analógicos para um formato
matricial
? O processo de conversão de uma imagem para uma
imagem digital é conhecido como digitalização.
? Os DEM
são em sua maioria,
são,
maioria destinados à
digitalização de imagens.
? Dependendo do meio no qual se encontra a imagem a
ser digitalizada tem-se o frame grabber, o scanner, o
film scanner e o depth scanner
?
18
9
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
?
Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)
? Frame grabber –
Faz a digitalização a partir de um sinal analógico de vídeo.
? O sinal de vídeo pode ser gerado directamente por uma
câmara ou por um dispositivo de reprodução de vídeo.
? A resolução da imagem digitalizada é a resolução de vídeo e
que é aproximadamente de 512 x 512 pixels.
? Os dispositivos mais sofisticados digitalizam com uma
resolução de cor de 24 bits.
?
19
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)
?
Scanner –
Digitaliza a partir de imagens em papel.
A imagem é colocada sobre uma superfície transparente, em
geral plana ou cilíndrica.
? O elemento de digitalização se compõe de uma fonte de luz e
de um sensor que mede a luz reflectida linha por linha, em
sincronismo com o deslocamento da imagem.
?
?
20
10
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)
?
Film Scanner –
Digitaliza a partir de imagens em transparências utilizando
o laser para maior resolução
? Um feixe de luz precisamente colimado é dirigido ao filme e
a quantidade de luz transmitida é medida por uma célula
fotoeléctrica.
? Este dispositivo pode atingir uma resolução superior a 2000
pontos por polegada.
?
21
Dispositivos de Visualização
? Classificação (cont…)
? Dispositivos de Entrada Matricial (DEM)
?
Deph
p Scanner –
Captura informação de uma cena tridimensional,
produzindo uma matriz de coordenadas com a profundidade
de cada ponto da cena.
? A estrutura dessa matriz depende do processo de varrimento
utilizado (plano o cilíndrico).
?
22
11
Dispositivos de Visualização
?
Dispositivos de Processamento Gráfico (DPG)
?
?
Os DPG são computadores com uma arquitectura especial, orientada para
a manipulação e processamento de dados gráficos
Tipos de DPG
? Dispositivos
p
de Processamento Vectorial ?
?
?
?
Se destinam principalmente ao processamento de modelos geométricos.
Actuam sobre as coordenadas das diversas componentes dos modelos
(segmento de recta, polígonos, etc.)
Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:
? SISD (uniprocessadores) – single-instruction, single data stream
? MISD (multiprocessadores) – multiple-instruction, single data
stream
Dispositivos de Processamento Matricial –
?
?
São equipamentos multi-processadores utilizados para o processamento
de imagens, para a rasterização e outros algoritmos gráficos
paralelizáveis
Em função do número de processadores podem-se ter dispositivos do tipo:
? SIMD (uniprocessadores) – single-instruction, multiple data stream
? MIMD (multiprocessadores) – multiple-instruction, multiple data
stream
23
Dispositivos de Visualização
? Dispositivos de Saída Gráfica (DSG)
?
?
?
?
Os DSG são equipamentos que permitem a visualização de dados
gráficos.
Podem ser divididos em vectoriais ou matriciais, de acordo com o o
tipo de gráfico por eles manipulado.
Os dispositivos de exibição de vídeo são, sem dúvidas alguma, os
mais importantes e mais comuns.
Um dispositivo de exibição de vídeo é constituído por quatro
elementos:
? Um monitor de vídeo (CRT);
? Um controlador de vídeo
vídeo;
? Uma memória de exibição (frame buffer);
? Conversor digital analógico.
24
12
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster
?
Um CRT consiste basicamente de uma superfície de exibição, quase
plana, recoberta internamente de material à base de fósforo, um
canhão emissor de electrões e um sistema de deflexão
O canhão emite um fino feixe de electrões que, acelerados, chocam
contra a superfície fosforescente da tela. Sob a acção dos electrões, o
material fosforescente incandesce, emitindo luz no ponto da tela
atingido pelo feixe. A função do sistema de deflexão (bobina de desvio) é
dirigir de forma controlada o feixe de electrões para um determinado
ponto da ecrã.
?
25
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster
Histórico:
? 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT
? 1940, utilização em TV (televisores).
? Até 2001,
2001 dominância no mercado de monitores.
monitores
? Maior fabricante actual: Philips Electronics.
26
13
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster
?
O funcionamento básico de qualquer monitor de vídeo é bastante similar ao
funcionamento de um monitor de televisão.
O espaço de cor do monitor de vídeo depende do número de camadas de
ponto.
fósforo em cada p
Os monitores monocromáticos (bitmapped) utilizam uma única camada de
fósforo que é sensibilizado com voltagem mínima ou máxima
Os monitores que permitem a exibição de tons cinza (gray scale) utilizam uma
única camada de um fósforo cuja sensibilidade produz uma radiação com s
luminância proporcional à voltagem aplicada ao feixe de electrons do canhão.
?
?
?
27
Dispositivos de Visualização
? O CRT de varrimento raster (continuação)
?
?
?
Em CRT convencionais a bobina de desvio está ligada a um sweep ou
gerador de varrimento
O término raster é um sinónimo do termo matriz. Um CRT de
varrimento raster varre, com um feixe de electrões, todos os elementos
de uma matriz.
A frequência de varrimento está relacionada com a frequência da linha
de tensão local.
?
Ex. na Europa é usada uma tensão de 50 ciclos (50 vezes/segundo).
28
14
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster (continuação)
? Cada vez que o feixe de electrões completa um ciclo de
raster ou varre todas as linhas, diz-se que o CRT foi
refrescado.
?
? Se
Importante: A persistência do fósforo usado e a frequência de
refrescamento devem ser semelhantes
a imagem sendo mostrada é composta por muitos
vectores, vai haver um atraso significativo entre o
traçado do primeiro e do último vector, e alguns do
vectores traçados inicialmente podem desaparecer nesse
período.
? O resultado é que o tubo não consegue reproduzir a
i
imagem
d modo
de
d suficientemente
fi i t
t rápido
á id para evitar
it
que um efeito de flickering (cintilação) torne-se aparente
na ecrã.
?
Nota: poucas pessoas podem distinguir variações visuais que durem
menos de 1/30 segundos
29
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster (continuação)
? Taxa de refrescamento:
?
É o número de frames por segundo geradas no monitor.
? Hertz (Hz):
?
Unidade de medida da taxa de refrescamento.
? Efeito de
?
?
75 Hz é a taxa de refrescamento miníma recomendável para um
monitor CRT.
Evita-se assim o efeito de “flickering”.
? Taxa
?
“flickering”:
de refrescamento máxima:
VSF = HSF / nº de linhas horizontal x 0.95
em que:
VSF = vertical scanning frequency (refresh rate)
HSF = horizontal scanning frequency
30
15
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster (continuação)
?
?
?
O feixe de electrões varre a tela muitas vezes por segundo, de acordo com
uma trajectória fixa (ver Fig).
O feixe movimenta-se da esquerda para a direita, na horizontal. Ao final
de uma varredura horizontal, o feixe ((com intensidade anulada)) é
reposicionado no início da linha imediatamente abaixo, para nova
varredura.
Na tecnologia de varrimento, todos os pontos que compõem uma imagem
precisam ser armazenados. Consequentemente, gráficos de varredura
requerem muito mais memória.
31
Dispositivos de Visualização
? O CRT de varrimento raster (continuação)
?
Num monitor policromático, cada pixel da ecrã é recoberto por
três tipos de fósforo, que produzem as cores vermelho, verde e
azul (Red, Green, Blue - RGB).
?
Ao invés de um único feixe de electrões existem três, cada qual
associado a uma cor de fósforo.
?
Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes de
electrões, está uma barreira de metal, denominada shadow mask
ou metal mask (ver Fig), que, por meio de buracos em posições
estratégicas garante que cada feixe atinge apenas o fósforo ao
estratégicas,
qual está associado.
?
Variando a intensidade de cada feixe, varia-se a intensidade do
brilho de cada fósforo, obtendo-se cores diferentes.
32
16
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster (continuação)
?
Entre a superfície da tela recoberta de fósforo, e os feixes de electrões, está
uma barreira de metal, denominada shadow mask ou metal mask (ver Fig),
que, por meio de buracos em posições estratégicas, garante que cada feixe
atinge
g apenas
p
o fósforo ao q
qual está associado.
33
Dispositivos de Visualização
?
O CRT de varrimento raster (continuação)
?
?
Assim como nos monitores policromáticos o feixe de electrões está
associado a um conjunto de bits na frame memory que determina a
intensidade dos fósforos vermelho, verde e azul.
Exemplo:
?
?
Se existem três bits de memória por pixel), pode-se obter oito cores distintas,
conforme mostrado na Tabela.
O número de bits associado a cada pixel é denominado pixel depth (bit planes),
ou "profundidade" do pixel.
R
G
B
Color
0
0
0
Preto
0
0
1
Azul
0
1
0
Verde
0
1
1
Turquesa
1
0
0
Vermelho
1
0
1
Magenta
1
1
0
Amarelo
1
1
1
Branco
34
17
Dispositivos de Visualização
? Monitores LCD (liquid crystal display)
?
?
?
?
Os cristais líquidos foram descobertos no final do séc. XIX pelo
botânico Frieddrich Reinitzer.
Os cristais líquidos são substâncias quase transparentes que
exibem
ib
propriedades
i d d quer da
d matéria
té i sólida
ólid quer da
d matéria
té i
líquida.
? A passagem de luz através dos cristais líquidos provoca o
alinhamento das suas moléculas – uma propriedade dos sólidos.
? Em 1960, descobriu-se que a carga eléctrica mudava o seu
alinhamento molecular, e consequentemente a forma como a
luz passava através dos cristais - uma propriedade dos líquidos.
LCD é uma tecnologia
g transmissiva. Um LCD funciona p
pela
variação de quantidades de luz branca de intensidade fixa através
dum filtro.
Os cristais líquidos são normalmente compostos orgânicos que
consistem de moléculas semelhantes aos cones do olho humano.
Portanto, os cristais líquidos funcionam como sensores de cor
quando são estimulados pela luz
35
Dispositivos de Visualização
? Monitores LCD (liquid crystal display)
?
?
?
?
?
Há 2 tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz
passiva (DSTN) e matriz activa (TFT).
Os LCDs de matriz p
passiva tem 2 camadas de vidro chamadas
substractos.
Os eléctrodos dum substracto são perpendiculares aos eléctrodos
do outro substrato. Há, pois, eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna.
Os cristais líquidos estão ensaduichados entre os dois substractos.
A activação dum pixel (que está localizado na intersecção duma
coluna com uma linha) é feita pela aplicação duma voltagem por
parte do circuito integrado
p
g
associado à coluna respectiva.
p
36
18
Dispositivos de Visualização
? Monitores LCD (liquid crystal display)
?
?
?
?
?
Os LCDs de matriz activa dependem basicamente dos thin film
transistors (TFT).
Os TFT são transistores ((comutadores)) e condensadores
minúsculos. Estão dispostos matricialmente num substracto de
vidro – um transistor por cada cor (RGB) de cada pixel.
O endereçamento dum pixel é feito por activação da sua linha,
após o que se aplica uma carga à sua coluna. Tendo em conta que
todas as outras linhas estão desactivadas, só o condensador
daquele pixel recebe a carga.
Os TFTs controlam a intensidade dos elementos de cor de cada
pixel.
O tempo de resposta é de 25ms para a matriz activa.
37
Dispositivos de Visualização
?
Ecrãs de cristal líquido (LCD) (cont…
cont…)
38
19
Dispositivos de Visualização
? Outros dispositivos de
?
saída
Traçadores (plotters
plotters))
?
?
?
?
?
?
São dispositivos electromecânicos que produzem o desenho pelo
movimento
i
t de
d uma caneta
t sobre
b a superfície
fí i do
d papel.
papell.
A primitiva gráfica básica nesse tipo de dispositivo é o segmento de
recta. Arcos, curvas e caracteres são produzidos pelo traçado de uma
série de pequenos segmentos.
Nos traçadores de mesa, o papel é fixado sobre uma superfície plana
rectangular, sobre a qual está localizado um braço mecânico que
movimenta-se por translação.
Nos traçadores de rolo, o braço é fixo, e o papel é movimentado para
frente e p
para trás p
por acção
ç de um rolo,, como em uma máquina
q
de
escrever.
Embora distintos em construção, estes dois tipos de traçadores
possuem características de programação e controle similares.
O traçador é em geral controlado por um processador dedicado que
recebe instruções directamente do computador ou de um arquivo que
descreve o desenho.
39
Dispositivos de Visualização
? Outros dispositivos de saída
? Traçadores (plotters
plotters))
40
20