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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada e Saída

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

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Sumário

1 Dispositivos de Saída (Exibição)

2 Dispositivos de Entrada

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Sistema Grá�co

É um sistema de computaçãoProcessadorMemóriaFrame bu�erDispositivos de saídaDispositivos de entrada

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Monitor de Vídeo

Tecnologia �tradicional� é o CRT (Cathode Ray Tube)

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Conversão Digital-Analógica para exibição no CRT

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Computação Grá�ca: Dispositivos de Exibição

Natureza AnalógicaGrá�cos vetoriais (�vectorgraphics�)

imagens formadas porsegmentos de retageradas a partir de�display �les�

Natureza DigitalGrá�cos matriciais (�rastergraphics�)

imagens formadas pelopreenchimento dematriz de �pixels�geradas a partir de�frame-bu�ers�

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Arquitetura de Dispositivo de Exibição Vetorial

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Geração da Imagem em Dispositivo Vetorial

Descrição da cena mantida em arquivo denominado �display�le�

Controlador de vídeo interpreta comandos especi�cados nodisplay �leComandos primitivos:

Posiciona no ponto (x,y)Traça linha da posição corrente até o ponto (x,y)

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Vetoriais: Características

Representação, manipulação e display da cena baseadas narepresentação geométrica dos objetos (mantida na display list)

Restauração da tela é feita retraçando os vetores que de�nemos objetos (varredura por rastreio aleatório)

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Vetoriais: Vantagens

Operações podem ser aplicadas diretamente sobre objetosTransformações podem ser aplicadas apenas aos pontosextremosPouca memória mesmo para cenas complexasAusência de aliasing

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Vetoriais: Desvantagens

Difícil preencher interiores dos objetos�Flicker� em imagens complexasRestauração da tela depende da complexidade da cenaAlto custoTecnologia ultrapassada (há muito tempo)

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Arquitetura de Dispositivo de Exibição Matricial

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Varredura por Rastreio Fixo

Não-entrelaçado: linha por linha (50-85Hz)Entrelaçado: linhas pares e ímpares (60Hz)

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Geração da Imagem em Dispositivo Matricial

Descrição da cena mantida no frame-bu�er, que contém umaposição associada a cada pixel da tela

Para cada pixel, o valor armazenado na posição correspondentede�ne a intensidade (ou cor) com que o pixel será traçado

Todos os objetos são pixels

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Pixels

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

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Estrutura de um CRT Colorido

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Estrutura de um CRT Colorido

Intensidade dos feixes determina a cor do pixelEx.:

pixel com 3 bits (pixel depth = 3, ou bit planes = 3) permiterepresentar 8 cores distintaspixel depth = d => 2d cores distintas

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Cores RGB em 3 bits

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Sistema Grá�co Matricial (Raster)

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Frame Bu�er

Resolução: número de pixels

Implementado c/ memória VRAM/DRAMVideo random-access memoryDynamic random-access memoryAcesso rápido para re-exibição e restauro

f.b. pode armazenar outras informações além da cor do pixelmúltiplas camadas, ou múltiplos bu�ers

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Frame Bu�er

Profundidade do f.b. (depth):Número de bits p/ cada pixel, determina o número de coresque o sistema consegue exibir

1 bit = 2 cores; 8 bit-deep = 28 = 256 cores24 bit = 224 = sistema true color

Sistema RGB: grupos de bits associados a cada uma de 3 coresprimárias: Red, Green, Blue

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Frame Bu�er

Sistemas em geral têm processador grá�co dedicadoRecebem da aplicação especi�cações de primitivas grá�cas edeterminam como traça-las na tela

Quais pixels devem receber valores de maneira a aproximar asprimitivasProcesso de �rasterização�, ou conversão matricial

Sistemas so�sticados podem ter vários processadores dedicadospara funções grá�cas especí�cas

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Frame Bu�er

�Pixel Depth� = �Bit Planes� (profundidade)Depth = d→ 2d cores possíveis (reais)Palette Range: Número total de cores que podem sermostradas simultaneamente, se o valor do pixel for usadocomo índice para uma tabela de coresClut: Color Lookup Table2d �Palettes� possíveis

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Video Look-up Table

De�ne a paleta de coresNesse exemplo uma paleta contém 256 cores das 4096 possíveis

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Processador

O processador é responsável por transformar as primitivasgrá�cas (linhas, círculos, polígonos, etc.) em pixels no f.b.

Essa conversão é conhecida como rasterization ou scanconvertion

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Outras características dos monitores

O que diferencia os inúmeros modelos a venda?Tamanho, dot pitch, resolução, taxa de restauro

TamanhoEntre 12 e 27 polegadas (14, 15, 17, 20, 27,...), ou +Medida da diagonal da área da telaEm geral, tamanhos maiores implicam também em resoluçõese taxas de restauro maiores, eCustos maiores

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Outras características

ResoluçãoResoluções típicas: 1.280 x 1.024 (17 pol), 1.600 x 1.200 (20pol)Taxa de restauro (�refresh rate�)

Taxas típicas: > 75Hz (capaz de atualizar a imagem pelomenos 75 vezes por segundo)Taxas baixas causam o efeito de ��ickering�, ou cintilação:desconfortável e prejudicial aos olhosTaxa de restauro e resolução são relacionadas!

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Tempo de Restauro

Sistema hipotético simples1 acesso (à memória)/pixel, resolução 640 x 480, taxa derestauro 60 ciclos/s (60 Hz)tempo necessário para recuperar 1 pixel:

1/(640 ∗ 480 ∗ 60) = 54ns � sem considerar tempos dehorizontal retrace (≈ 7µs) e vertical retrace (≈ 1.250µs)

Dual ported video RAM ≈ 20ns (regular RAM de 50ns écomum)Em geral, recupera vários (p.ex., 16) pixels/cicloRestauro entrelaçado

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Matriciais: Características

Representação, manipulação e exibição da cena é feita a partirdo frame-bu�er

contém representação matricial discreta da cena

Gerar imagem a partir da descrição geométrica da cena requerum processo de conversão matricial

Scan conversionTransforma descrição geométrica em matriz de pixels

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

A placa grá�ca

Hardware responsável por receber os comandos de desenho doprocessador, e controlar o monitor de vídeo

Drawing �front end� (drawing engine): recebe os comandosdo processador que de�nem que pixels estão sendo traçados, ecom que valor. Pixels são traçados �escrevendo� no bitmap(frame bu�er)Video �back-end� : responsável por interpretar os valorescontidos no bitmap, mapeando-os em suas respectivas cores egerando os sinais que controlam o monitor de vídeo de maneiraque as cores possam ser exibidas (isso é feito a cada restauro)

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Arquitetura de Dispositivo de Exibição Matricial

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Matriciais: Características

Possível discretizar (ou digitalizar) imagens obtidas porprocessos físicos (amostragem + quantização)Ambos os processos, conversão matricial e digitalização,resultam em imagens digitais que exibem o fenômeno dealiasing

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Aliasing

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Matriciais: Vantagens

Adequados para monitores coloridosCapacidade de integrar imagens digitalizadas e sintetizadasBaixo custoProcesso de restauração independe da complexidade da cena(rastreio �xo)Possibilidade de preenchimento de interiores com cores oupadrõesPermitem operações sobre blocos de pixels

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Dispositivos Matriciais: Desvantagens

Imagens digitais: gerar cena requer conversão matricial oudigitalizaçãoImagens digitais: exibem aliasingTransformações não são aplicáveis apenas transformando ospontos extremos dos objetos da cenaRequer muita memória e capacidade de processamento

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Imagem Vetorial x Imagem Matricial

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Dispositivos de Saída (Exibição)

Outras Tecnologias de Exibição

Displays planosVolume, peso e consumo de energia reduzidosEspessura mínima e possibilidade de escrever na superfícieDuas categorias

Emissivos - convertem energia elétrica em luz: Painéis deplasma, displays �nos de �lmes eletroluminescentes, diodosemissores de luz...Não-Emissivos - usam efeitos óticos para converter luz naturalem padrões grá�cos: LCD - liquid crystal displays

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

O que é Cristal Líquido

Moléculas de materiais sólidos mantém suas orientações eposições �xas em relação às outras moléculasMoléculas de materiais líquidos podem mudar suas orientaçõese se movimentarem livrementeMoléculas dos Cristais Líquidos podem se movimentar, mastendem a manter as suas orientações

Misturam características de sólidos e líquidos...Apesar de originalmente transparentes, a orientação dasmoléculas pode ser alterada por um campo elétrico, o que asfaz assumir diferentes tonalidades de acordo com a intensidadedo campo

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Propriedades que permitem a construção de um LCD

A luz pode ser polarizadaCristais líquidos podem transmitir e mudar a luz polarizadaA estrutura do cristal líquido pode ser mudada por correnteelétricaExistem substâncias transparentes que podem conduzireletricidade

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

LCD não emissivo

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

LCD não emissivo

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Tipos de LCD

Matriz PassivaPouca precisão, ângulo de visão restrito, baixo contrasteRestauro mais lento (em comparação ao CRT)

Matriz AtivaQualidade superior: precisão e velocidade de atualizaçãoTransistores de �lmes �nos posicionados em cada pixel: trêstransistores (no caso de LCDs coloridos) controlam a voltagemem cada pixel

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Vantagens LCD

Tamanho reduzidoIntrinsecamente digitalAplicações móveisTela plana elimina distorções e aumenta área útil

LCD de 15 pol. tem área útil equivalente a CRT de 17 pol.

Consomem menos energiaEmitem menor quantidade de radiação nociva

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Desvantagens LCD

Custo cada vez menosTempos de resposta mais lentosTrabalham em uma única resoluçãoSensível a variações de temperaturaÂngulo de visão limitado (450 a 600)

Qualidade percebida da imagem varia com o ângulo deobservação (quanto maior, pior)Problema tende a ser resolvido...

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Painéis de plasma

Monitores de descarga de gásDisplays de gás plasma: consistem de uma superfície planacoberta com milhões de minúsculas cápsulas de vidroCada cápsula contém uma substância gasosa (o plasma) euma capa de fósforoAs cápsulas são os pixels e cada uma é composta de 3sub-pixels que correspondem às cores RGBUma corrente elétrica, controlada digitalmente, �ui através datela plana, fazendo com que o plasma dentro das bolhasdesignadas emita raios ultravioletaEssa luz faz o fósforo brilhar na cor apropriada

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Vantagens da tecnologia a plasma

Telas produzem imagens muito nítidas, com cores vivas evibrantes, diversos níveis de tons de cinza

Exibem imagem brilhante e uniforme em ambientes comiluminação normal, com ângulo de visão de 1600 em todos oslados

Têm alta resolução e excelente capacidade para mostrarmovimentos suaves de vídeosNão distorcem a imagem, mesmo nas bordas e nos cantos datela Tela super �na (3 a 6.5"), ocupa muito pouco espaço,permite designs arrojados

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Saída (Exibição)

Outros dispositivos de exibição

Impressoras - matricialPlotters - vetorialEstereoscópicos: visão 3D

Duas visões da cena, do olho esquerdo e do olho direito

Componente de ambientes de RVHead-mounted displays: visão 3D e rastreamento: imersão

...

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Sumário

1 Dispositivos de Saída (Exibição)

2 Dispositivos de Entrada

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Dispositivos de Entrada

TecladoMouseTrackball e SpaceballJoystickDigitalizador (tablet)Touch panelLight penData GloveVoz

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Data Glove

Permitem �pegar� um objeto virtualConjunto de sensores detectam os movimentos da mão e dosdedos, bem como posição e orientação da mão

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Scanners 3D

A partir dos pontos de entrada é reconstruído um modelo dasuperfície do objeto de�nido no espaço 3D

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Dispositivos de Entrada 3D

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Force Feedback em 3D

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Conversão de Coordenadas � mundo 2D e dispositivos

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Dispositivos Físicos

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Dispositivos de Entrada e Saída

Dispositivos de Entrada

Dispositivos Incrementais

Dispositivos como um tablet retornam diretamente umaposição para o sistema operacional

Dispositivos como mouse e trackball retornam valoresincrementais (ou velocidades) para o sistema operacional

Devem ser integrados para se obter a posição absoluta

Difícil de se obter uma posição absolutaPodem variar de sensibilidade

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