Tema 1

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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
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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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1.1 Gráficos e informática
– 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).
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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).
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1.1 Gráficos e informática
•
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.
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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.
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1.2 Ventajas de los gráficos interactivos
•
•
•
•
•
Mejor reconocimiento de la información
Mayor densidad de información
Relaciones entre objetos (interactividad)
Uso del color
Mayor productividad (eficiencia, costes de utilización)
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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
Ene
30
Feb
25
Mar
Abr
20
May
15
Jun
Jun
10
May
Abr
5
Mar
Feb
0
Comidas
Ene
Transporte
Alojamiento
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
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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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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
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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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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
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1.4 Dispositivos característicos: salida
Terminal gráfica: monitor + controlador + memoria
•
Rejilla
Rayo
Deflexión
Enfoque vertical
Fósforo
Conectores
Cañón
Deflexión
horizontal
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)
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1.4 Dispositivos característicos: salida
•
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
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1.4 Dispositivos característicos: salida
Pantalla
Rayo
Pixel
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1.4 Dispositivos característicos: salida
CRT
Raster
1
Registro
1
Frame Buffer
3
Dispositivo Gráfico Raster CRT con Frame Buffer B/N de un plano de 1 bit
Registros
0
1
0
0
Blue
Green
Red
1
0
CRT
Raster
Frame Buffer
Frame Buffer de color simple
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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.
•Otras tecnologías: plasma (voltajes altos a gases de baja presión (xenón)
que pasan al gas de estado gaseoso a plasma produciendo luz)
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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.
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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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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.
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2.5 Formatos de almacenamiento
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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
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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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1.6 El proceso de visualización
Proceso de visualización 3D
Recorrido
de la
escena
Transformación
del modelo
Eliminación de
caras ocultas
Transformación
de la vista
Proyección
Recortado
Transformación
del dispositivo
Iluminación
Muestra en
pantalla
Conversión
al raster
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1.6 El proceso de visualización
Proceso de visualización 2D
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