02-introducao computacao grafica

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e Histórico

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenárioe Histórico

SCC0250 - Computação Grá�ca

Prof. Fernando V. Paulovichhttp://www.icmc.usp.br/~paulovic

[email protected]

Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC)Universidade de São Paulo (USP)

3 de maio de 2011

1 / 91

http://www.icmc.usp.br/~paulovic

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoIntrodução à Computação Grá�ca e Histórico

Sumário

1 Introdução à Computação Grá�ca e Histórico

2 Áreas relacionadasComputação Grá�caProcessamento de ImagensVisão Arti�cialVisualização Computacional

Visualização Cientí�caVisualização de Informação

3 Computação Visual

4 Per�l da disciplina

2 / 91


Introdução

A�nal, o que é Computação Grá�ca?

3 / 91


Computação Grá�ca

Sub-área da Ciência da ComputaçãoTécnicas para a geração, exibição, manipulação e interpretaçãode modelos de objetos e de imagens utilizando o computadorModelos e imagens criados a partir de dados do mundo real ←converter dados em imagens

Usuários em disciplinas diversasCiência, engenharia, arquitetura, medicina, arte, publicidade,lazer (cinema, jogos, ...)Enorme gama de aplicações

4 / 91



Sub-área da Ciência da ComputaçãoTécnicas para a geração, exibição, manipulação e interpretaçãode modelos de objetos e de imagens utilizando o computadorModelos e imagens criados a partir de dados do mundo real ←converter dados em imagens

Usuários em disciplinas diversasCiência, engenharia, arquitetura, medicina, arte, publicidade,lazer (cinema, jogos, ...)Enorme gama de aplicações

5 / 91


Computação Grá�ca em Números

Halo 3 � faturamento de lançamento US$ 170mi

O Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3dias, US$ 60 milhões na estréiaAvatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu �nal de semanade estréia, US$ 70 milhões na estréia

Grand Theft Auto IV (GTA IV) � vendeu 3,6 milhões de cópiasno dia da estréia, somando US$ 310 milhões

O livro Harry Potter e as Relíquias da Morte somou US$ 220milhões de dólares em 24 horas.

http://portalexame.abril.com.br/revista/exame/edicoes/0919/tecnologia/m0160513.html

6 / 91




Halo 3 � faturamento de lançamento US$ 170miO Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3dias, US$ 60 milhões na estréia

Avatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu �nal de semanade estréia, US$ 70 milhões na estréia




7 / 91




Halo 3 � faturamento de lançamento US$ 170miO Homem-Aranha 3 faturou cerca de US$150 milhões em 3dias, US$ 60 milhões na estréiaAvatar arrecadou US$ 232,2 milhões em seu �nal de semanade estréia, US$ 70 milhões na estréia




8 / 91








9 / 91








10 / 91



Jogos Mais Lucrativos: Wedbush Morgan Securities

1 Guitar Hero (Activision Blizzard) US$992 milhões2 Mario Brothers (Nintendo) US$761 milhões3 Rock Band (Electronic Arts) US$662 milhões4 Call Of Duty (Activision Blizzard) US$446 milhões5 Wii Fit (Nintendo) US$407 milhões6 Grand Theft Auto (Take-Two Interactive) US$361 milhões7 Madden Football (Electronic Arts) US$312 milhões8 Wii Play (Nintendo) US$261 milhões9 LEGO (LucasArts) US$224 milhões10 Star Wars (LucasArts) US$180 milhões11 Sonic (Sega) US$163 milhões12 Gears Of War (Microsoft) US$146 milhões13 The Sims (Electronic Arts) US$143 milhões14 Tom Clancy (Ubisoft) US$130 milhões15 Pokemon (Nintendo) US$119 milhões

Aprox. 16% do PIB do Uruguai em 2009 (US$31.5 bilhões)

11 / 91


Histórico

(1963) SketchpadIvan Sutherland apresenta o sistema que vinha desenvolvendop/ seu Ph.D. no MITPrograma p/ desenho e manipulação de elementos

geométricos na tela de um monitor de vídeo (primitivasgrá�cas 2D)Entrada via caneta ótica (light pen), saída no monitor devídeo (tecnologia vetorial)Primeira tentativa de usar um monitor de vídeo comodispositivo de interação, bem como de usar o computador

para gerar e exibir �guras!

12 / 91


Histórico

Ivan Sutherland na console do TX-2, exibindo o Sketchpad (MIT, 1963)

13 / 91


Histórico (dispositivos vetoriais)

PrimórdiosDispositivos de Exibição

Natureza analógica: vector graphicsImagens formadas pelo desenho de segmentos de reta(traçado de contornos)Tecnologia cara

Ausência de cores

Primeiros programas de CADContexto: pouca interação com o usuário, uso restrito(equipamento caro!)

14 / 91


CRT - vetorial

15 / 91


Histórico

Década de 70Disseminação de aplicativosEvolução do hardware

Surgimento da tecnologia matricial (raster graphics)Imagens formadas por matrizes de pontos, ou pixels: pictureelementsBaixo custo, uso de cores, áreas preenchidasAliasing

Aumento da capacidade de processamentoMelhores dispositivos de interação: mouse (1968), ...Novos paradigmas em HCI: janelas

16 / 91


CRT - matricial

17 / 91


Pixels

Cada pixel corresponde a uma pequena área da imagem �armazenados no frame bu�er

18 / 91


Pixels e o Frame Bu�er

19 / 91


Histórico

Década de 80Pacotes grá�cos

Portabilidade (independência de dispositivo)ReutilizaçãoAPIs: GKS, PHIGS, OpenGL � Padrões: especi�cação de umainterface para os programadores de aplicativos independente

do S.O. e do sistema gerenciador de janelas.

Computação Grá�ca 3D

Principais representações grá�cas 3D: baseadas em descriçõesgeométricas das superfícies dos objetos

20 / 91


Sistema Grá�co

21 / 91


Histórico: (síntese de imagens)

Técnicas para criar �mundos 3D� no computadorModelagem: criação de uma representação dos objetos

Informações geométricasInformações sobre os materiaisInformações sobre a fonte de luz e o observadorPoligonização: aproximação da descrição geométrica por umamalha de faces poligonais (planares), como triângulos

Rendering (e animação): apresentação dos objetosGeração de uma imagem (ou uma seqüência delas) a partirdas representações (modelos)Simulação da interação de fontes de luz com as primitivas dacena

22 / 91


Síntese de Imagens

23 / 91


Síntese de Imagens

24 / 91


Histórico

Década de 90Gama de técnicas estabelecidas em Síntese de Imagens

Estratégias clássicas de modelagem: por fronteira, CSG,octrees, ...Estratégias para descrição de modelos: varredura, formulações

matemáticas para de�nição interativa de curvas e superfícies

(B-splines, NURBS, ...)Estratégias alternativas de modelagem: fractais, partículas, ...Estratégias de rendering so�sticadas: ray tracing, radiosidade,modelos físicos de iluminação, mapeamento de textura...

Áreas relacionadas também amadureceram

25 / 91


Histórico

Marcos históricos � LucasFilm, PixarEd Catmull, University of Utah

Patches bicúbicos (representação de superfícies), z-bu�er(remoção de superfícies ocultas), mapeamento de texturas �início da década de 70

Loren Carpenter, BoeingModelagem por fractais � montanhas, nuvens, água... � inícioda década de 80

Robin Cook, Cornell UniversityNovo modelo de re�exão de luz, mais realista, shade trees(�linguagem� para rendering) - década de 80.

Pixar's RenderManOscar em março de 2001 �for signi�cant advancements to the�eld of motion picture rendering�

26 / 91


Histórico

27 / 91


Histórico

28 / 91


Histórico

Década de 90Consolidação da Visualização Computacional como disciplina

Conceito de voxels: volume elements

Computação Grá�ca VolumétricaModelos grá�cos utilizando voxels (ou tetraedros) comoprimitivasCena: descrita como um volume de voxels ou tetraedrosAltíssimos requisitos de memória e processamentoFuturo: rendering de superfícies x rendering volumétrico?

Realidade VirtualMundos virtuaisInteração imersiva

29 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoÁreas relacionadas

Sumário






30 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoÁreas relacionadasComputação Grá�ca

Sumário






31 / 91



Síntese de imagens

Técnicas para gerar representações visuais a partir deespeci�cações geométricas e de atributos visuais dos seuscomponentes

Modelagem e rendering

Objetivo: �mundo� 3D no computador

32 / 91



Bíscaro et al., 2005

33 / 91



http://www.povray.org/

34 / 91



35 / 91



36 / 91



http://www.bmmedia.no/henningb/tutorial/mgb/mgb.html

37 / 91

http://www.bmmedia.no/henningb/tutorial/mgb/mgb.html


Arte por Computador

38 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoÁreas relacionadasProcessamento de Imagens

Sumário






39 / 91


Processamento de Imagens

Técnicas de transformação de imagens descritas como�matrizes� de pixels

ObjetivoMelhorar características visuais (aumentar contraste, melhorarfoco, reduzir ruído, eliminar distorções)Extrair elementos de interesse; ou mesmo �transformar� aimagem, criando efeitos visuais

40 / 91



41 / 91



42 / 91



André Balan, 2004

43 / 91



Liziér et al., 2004

44 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoÁreas relacionadasVisão Arti�cial

Sumário






45 / 91


Visão Arti�cial

Colocar �o sentido� da visão na máquina

46 / 91


Visão Arti�cial

Problema extremamente complexoVisão envolve inteligência...

Ponto de partida é o problema mais simples de analisarimagens

Técnicas para extrair informações de imagensObjetivos: p.ex., extrair modelos geométricos, ou implementarno computador tarefas que requerem habilidade visualInformação não explícita obtida da imagem: por exemplo,obter primitivas geométricas que descrevem elementos contidosna imagem, ou reconhecer padrões

47 / 91


Reconhecimento de Digitais � padrões

Exemplo: um sistema de visão para reconhecer digitais

48 / 91


Típico sistema de visão

49 / 91


Passo 1 � Aquisição

50 / 91


Passo 1 � Aquisição

51 / 91


Passo 2 � Pré-Processamento

52 / 91


Passo 2 � Pré-Processamento

53 / 91


Passo 3 � Processamento de Imagens

54 / 91


Passo 3 � Processamento de Imagens

55 / 91


Passo 4 � Análise de Imagens

56 / 91



Procurar todos e marcarbifurcaçõesterminações

57 / 91



Determinar as orientaçõesbifurcaçõesterminações

58 / 91


Passo 5 � Extração de Características

59 / 91


Passo 5 � Extração de Características

Modelo MatemáticoSemelhança de Triângulos �Combinar as marcações 3 a 3

60 / 91


Passo 6 � IA/Reconhecimento de Padrões

61 / 91



62 / 91



63 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoÁreas relacionadasVisualização Computacional

Sumário






64 / 91


Visualização Computacional

Técnicas da CG para representar dado/informação:representações grá�cas de dados, numéricos ou não

Objetivos: facilitar o entendimento de fenômenos complexos ea exploração de diferentes cenários

Síntese para gerar as representações visuais, análise (pelousuário) para extrair informações

65 / 91


Visualização

Hamming 1973: �the purpose of computation is insight, notnumbers�

Card et al. 1999: �the purpose of visualization is insight, notpictures�

Principais objetivos desse �insight�: descoberta, veri�cação dehipóteses, tomada de decisões, explicação

66 / 91


Visualização

Cientí�ca x de InformaçãoSciVis: geometria do modelo determinada pelo domínio

Modelos geométricos complexos, interpretação intuitiva

InfoVis: geometria do modelo atribuída pelo `designer' darepresentação

Modelos simples, interpretação requer treinamento

67 / 91


Sumário






68 / 91


Visualização Cientí�ca

69 / 91



Vargas et al. ACM Transactions on Graphics, 2005

70 / 91


Rendering Volumétrico Direto

Modelo gerado por DVR: ray casting no Visualization Toolkit Gerado por DaniloMedeiros Eler

71 / 91



Simulação de escoamento de �uidos - A. Castelo et al.

72 / 91



73 / 91



74 / 91



75 / 91


Simulação (Comportamento dos Materiais)

76 / 91


Sumário






77 / 91


Visualização de Informação

78 / 91



79 / 91



80 / 91



81 / 91



82 / 91



83 / 91


Table Lens

http://infoserver.lcad.icmc.usp.br/

84 / 91



Coordenadas Paralelas


85 / 91




Campanha de Napoleão na Rússia (Minard, 1869) - começou com 422.000soldados e terminou com 10.000

86 / 91



Identi�cação das causas da epidemia de cólera em Londres (John Snow, 1854)

87 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoComputação Visual

Sumário






88 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoComputação Visual

Relacionamento entre as áreas

Áreas de pesquisa completas queinteragem entre si, compartilhamtécnicas e algoritmos, mas têm oseu próprio conjunto de técnicase algoritmos

89 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoPer�l da disciplina

Sumário






90 / 91

Computação Grá�ca � Áreas Relacionadas, Cenário e HistóricoPer�l da disciplina

Per�l da Disciplina

Ênfase em síntese de imagensFundamentos

Algoritmos de conversão matricialTransformações geométricas, sistemas de coordenadas,transformações entre sistemasPipeline de visualização

Técnicas clássicas de modelagem 3D e renderingModelos clássicos de iluminação e remoção de superfíciesocultas

91 / 91

02-introducao computacao grafica

Documents