Introduzione alla Computer Graphics

1. Introduzione alla Computer Graphics Prof. Roberto Pirrone

2. Sommario • Cos’è la Computer Graphics (CG) • Ambiti di applicazione • Breve Storia della Computer Graphics • Tecnologie dei display • Grafica Raster e Grafica Vettoriale

3. Cos’è la CG • La Computer Graphics (CG) si occupa di sintesi di immagini, cioè delle tecniche di produzione di scene rappresentanti oggetti del mondo reale o contenuti astratti. • Nel primo caso, entrano a far parte della CG anche tutte le tecniche volte a fornire una visualizzazione realistica del contenuto dell’immagine. • Rendering foto-realistico • Rendering non foto-realistico

4. Cos’è la CG • Per contro, la disciplina che si occupa di analisi di immagini è denominata “Image Processing”. • In questo caso gli obiettivi dell’elaborazione possono essere quelli di aumentare il contenuto informativo, ridurre il rumore, restaurare una immagine e così via. • Image enhancement • Image restoration • Image analysis • …

5. Cos’è la CG In ogni caso in Image Processing si assume di partire da un’immagine digitale già acquisita e la si elabora, mentre in CG l’immagine digitale è l’obiettivo ultimo dell’elaborazione. Altri ambiti che si occupano di immagini digitali sono la “Computer Vision” e la “Pattern Recognition” .

6. Cos’è la CG La “Computer Vision” tenta di riprodurre i processi percettivi propri della visione basandosi su sistemi artificiali di acquisizione/elaborazione dei dati. Nell’ambito della “Pattern Recognition” si cerca di individuare la presenza di “strutture” più o meno complesse in un’immagine al fine di svolgere compiti di riconoscimento, sorveglianza, ispezione di manufatti per individuazione di guasti e così via.

7. Cos’è la CG • Alcune tecniche di elaborazione sono ormai patrimonio della CG • Fotoritocco:effetti speciali che sono trasformazioni operate sul contenuto informativo delle immagini di partenza. • Image warping: trasformazioni delle strutture presenti in un’immagine a fini ludici o di correzione di deformazioni introdotte dai dispositivi di acquisizione.

8. Ambiti di applicazine della CG • Disegno delle interfacce utente • Graphical User Interfaces (GUI) • Interfacce Web (grafica bidimensionale abilitata da opportuni linguaggi di scripting e descrizione delle forme con formalismi XML) • Simulazioni • Scientifiche (processi fisici, chimici...) • Professionali (simulazioni di dispositivi, CAD) • Effetti speciali • Pubblicità • Cinema (film di pura animazione e film con personaggi animati)

9. Ambiti di applicazine della CG • Arte • Computer Art (disegni e animazioni a fini artistici, anche non foto-realistici) • Fruizione del museo per mezzo di tecniche di realtà virtuale • Intrattenimento • Videogames • Giochi in realtà aumentata (augmented reality) o realtà virtuale • Medicina • Ricostruzioni di parti anatomiche da TAC/RM/PET a fini diagnostici

10. Breve storia della CG La CG nasce insieme ai calcolatori, ma si mantiene fuori dal mercato del grande consumo per effetto dei costi elevati dei dispositivi grafici. Il suo sviluppo nasce dalla necessità di rappresentare in maniera semplice e altamente flessibile i dati elaborati dal calcolatore; è il caso di applicazioni scientifiche e di simulazione di processi.

11. Breve storia della CG • Problemi connessi con la larga diffusione delle applicazioni di CG: • costo HW grafico • necessità di elevate risorse computazionali • difficoltà di scrivere programmi interattivi (epoca del FORTRAN) • SW dedicato per l’HW grafico.

12. Breve storia della CG La diffusione, negli anni '80, dei primi calcolatori (ad esempio Apple Macintosh) che usano monitor con display di concezione moderna favorisce lo sviluppo di applicazioni grafiche per uso diffuso Prime fra tutte si sviluppano le interfacce grafiche che consentono agli utenti inesperti di interagire con sistema operativo e le applicazioni presenti su un calcolatore.

13. Breve storia della CG I primi display per la visualizzazione grafica sono basati sull’uso di monitor del tipo televisivo in cui un “Tubo a Raggi Catodici” (CathodeRay Tube: CRT) forma le immagini comandando la deflessione di un fascio focalizzato di elettroni (pennello elettronico). Il fascio è in grado di colpire qualunque punto del fondo del tubo sul quale è disposto uno strato di materiale fotosensibile (fosfori) che reagisce all’impatto emettendo luce.

14. CRT Principio di funzionamento di un CRT

15. Monitor LCD Principio di funzionamento Liquid Crystal Led Passivo TwistedNematic Display Thin Film Transistor (TFT)

16. Retroilluminazione a LED • Sono ancora monitor LCD • Retroilluminazione • Laterale con controllo “in blocco” dei led • “A tappeto luminoso” con controllo del singolo pixel • Gestione locale della dinamica

17. Monitor LED • Tecnologia OrganicLight EmittingDiode(OLED) • i singoli pixel sono polimeri conduttivi organici che sono integrati nel display • Monitor Active Matrix OLED (AMOLED) • Lo schermo AMOLED è composto da una matrice pixel di OLED integrati in una sottile pellicola di transistor che genera luce attraverso l'attivazione elettrica e controlla il flusso di corrente per ogni pixel con struttura TFT.

18. Retina Display • E’ un display LED, ma con unarisoluzionetipicamentequadruplicatarispettoai monitor classicidellastessadimensione. • I pixel distanomenodellapotenzarisolutivadell’occhio

19. Display 3D • Tecnologia a polarizzazione • Le due immaginisx e dx sonoproiettatesulloschermo con polarizzazioni inverse • 90° in sensoorario e antiorario • 45° e 135° • Gliocchialihannolentipolarizzate in sensocoerente con quelleproiettate • Tecnologia con shutter • Gliocchialihannoelettronica a bordo per esserecontrollati dal display in modo da chiuderealternativamenteunodegliocchiquando lo schermomostral’immaginedell’altroocchio.

20. Grafica Raster • Tutte le discipline che trattano di immagini digitali si basano su una rappresentazione di tipo RASTER dell'informazione pittorica: • RASTER: Matrice di elementi pittorici detti pixel (pictureelement) che viene usata come struttura dati unica per l'acquisizione, la memorizzazione, l'elaborazione e la restituzione dell’informazione. • Il monitor CRT e tutti i suoi successori (LCD, LED) sono in grado di indirizzare le posizioni dello schermo secondo un raster

21. Architettura di un terminale raster

22. Grafica Vettoriale La grafica vettoriale vede la scena da rendere come il disegno di archi di curva orientati da un punto di partenza ad un punto di arrivo. Il display CRT si prestava bene a supportare questo approccio al disegno.

23. Architettura di un terminale vettoriale

24. Grafica Vettoriale La grafica vettoriale ha problemi di "rinfresco": necessità di limitare il numero dei componenti e di ripeterli per mantenere la visibilità sullo schermo. Per ovviare a questo problema si utilizzavano terminali grafici DVST (Direct View Storage Tube) che sono come i CRT classici, ma i fosfori si trovano all'interno di elementi analogici di memoria che li mantengono accesi per un certo tempo.

25. Confronto • La grafica vettoriale è ancora utilizzata come paradigma di disegno • Applicazioni di disegno • Grafica web • CAD • Viene “simulata” cioè viene poi convertita in raster

26. Confronto