Gráficas por Computadora
¿Qué es lo que hace la computadora?….
Procesa, transforma y comunica información
Aspectos de Comunicación
Origen (¿desde donde viene?)
Velocidad (¿cuanto tiempo tardara en llegar?)
Latencia (¿cuanto tiempo tengo que esperar antes de que suceda algo)?
Presentación (¿como se será?)
La Computación Gráfica es…
La tecnología para presentar información
¿Cual es el objetivo de éste curso?
Lo que no cubre
Paint and Imaging packages (Adobe Photoshop)
CAD packages (AutoCAD)
Rendering packages (Lightscape)
Modeling packages (3D Studio MAX)
Animation packages (Digimation)
Graphics APIs (OpenGL)
Graphics Modeling and Languages (RenderMan)
Lo que sí vamos a cubrir
Alogritmos de programación gráfica
Estructuras de datos gráficas
Vision humana y el color
Programación de diseño de interfaces gráficas
Modelado y geometría aplicada
Computación numérica aplicada
Aplicaciones de la computación gráfica
Lo que te puedas imaginar, podrá ser realizado con gráficas por computadora. Obviamente Hollywood lo sabe muy bien. Cada año, nos asombramos por los nuevos efectos especiales de las películas. Más y más de estas imágenes existen solamente dentro de la memoria de una computadora. Parece que no tienen fin. Pero no solo se está hablando de mega producciones de grandes presupuestos. Hay videos de música, televisión, noticias, etc.. La computación gráfica es ahora una parte importante de la industria del entretenimiento.
La industria del entretenimiento juega muchos otros roles importantes en el campo de la computación gráfica.
Liderazgo en calidad y arte
No hay cadenas a un concepto puro
Grandes presupuestos y tiempos cortos
Ellos definen nuestras espectativas
También está en el ámbito de los video–juegos.
Los juegos son un esfuerzo importante en la computación gráfica. Se discutirá como trabajan. Vamos a cuestionarnos como es que obtienen tanto con solo un poco de trabajo.
Como la industria impacta en la computación gráfica.
1. Se enfoca en la interactividad.
2. Soluciones de bajo costo.
3. Evitar la computación y otros trucos
4. Los juegos son el objetivo básico.
Imagenología Médica
No hay esfuerzo más noble que la preservación de la vida. En nuestros días se puede decir que la computación gráfica juega un rol importante en la salvaguarda de la vida.
El rango de aplicaciones se divide desde herramientas para la enseñanza y diagnóstico, hasta todo un tratamiento.
La computación gráfica es una herramienta en la aplicación médica más que un mero artefacto. No hay posibilidad para errores.
¿Como las aplicaciones médicas influencían la tecnología de la computación gráfica?
Nuevas formas de representación de datos
Conduce a solución de problemas de precisión y corrección
Se enfoca en la presentación e interpretación de datos
Construccion de modelos de adquisición de datos.
Diseño Asistido por Computadora
La computación gráfica ha tenido un impacto dramático en el proceso de diseño. En nuestro días, la mayoría de los diseños mecanicos y electrónicos son ejecutados completamente en computadora.
Cada vez más, el diseño arquitectónico y de producto están migrando a la computadora. Herramientas automatizadas también están disponibles para verificar la tolerancia y las restricciones de diseño directamente en los diseños CAD. Los diseños CAD tambien juegan un papel clave en el amplio rango de procesos desde el diseño de pequeñas herramientas hasta la manufactura
CAD ha tenido el siguiente impacto en la computación gráfica.
1. Conduce el mercado de Hardware de punta
2. Integración de la computación y los recursos de desplegado (monitores)
3. Reduce los ciclos de diseño (sistemas más rápidos)
Visualización Científica
La Computación Gráfica amplia la cantidad de datos accesibles. La simulación numérica frecuentemente produce millones de valores de datos. De manera similar, a los sensores satelitales amasan datos a velocidades más allá de nuestras habilidades para interpretarlos por otros medios que de forma visual.
Los matemáticos emplean la computación gráfica para explorar funciones y espacios abstractos de altas dimensiones
Los físicos pueden emplear la computación gráfica para traspasar los limites de la escala. Con esto ellos pueden explorar tanto los mundos microscópicos como macroscópicos.
Interfaces gráficas de usuario (GUI)
La computación gráfica es una parte integral de la computación de todos los días. No hay mejor muestra de evidencia que el diseño de las interfaces de las computadoras modernas. Elementos gráficos tales como ventanas, cursores, menús, iconos ahora son tan comunes que es difícil imaginar la computación sin estos.
En algún tiempo la programación gráfica fue considerada como una especialidad. Hoy día, casi todos los programadores profesionales deben tener un conocimiento de las gráficas para aceptar las entradas y presentar las salidas a los usuarios.
Tecnología de Displays (Monitores)
CRT, LCD, Plasma y Leds.
Tubos de rayos catódicos (CRT)
Cathode Ray Tubes (CRTs)
Es el dispositivo de salida más común
Es un tubo de vidrio al vacío
Elementos incandecentes (filamentos)
Los electrones son atraídos hacia un cilindro de polaridad negativa (ánodo).
Con platos de deflexión Vertical y Horizontal
Hace brillar una capa de fósforo en la parte frontal del tubo
Monitores vectorizados
Los Osciloscopios fueron algunos de los primeros displays de computadoras
Utilizados tanto por las computadoras análogas como digitales
La computación resulta utilizada para dirigir los ejes horizontal y vertical (X-Y)
La intensidad podría ser también controlada por la Intensidad (eje Z)
Utilizada mayormente para el dibujo de lineas
Denominados displays vectorizados o caligraficos
La lista de displays tienen que ser constantemente actualizados
(excepto para tubos de almacenamiento)
Displays rasterizados
La TV tuvo su auge en los 50s y 60s (estos se abarataron)
Las TV B/N eran básicamente osciloscopios (con un patrón de escaneo alambrado)
Toda la pantalla era actualizada 30 veces/seg.
La pantalla era atravesada 60 veces /seg.
Líneas pares y nones alternaban la actualización (denominados campos)
El entrelazado – un truco para proporcionar movimientos más suaves en escenas dinámicas
Alta resolución en escenas estáticas
Ancho de banda optimizado
Simulación de un display tipo raster
En un display tipo raster, la ruta del rayo electrón es dirigido. La computadora debe sincronizar su proceso de “pintado” de la pantalla con el del display. La computadora solamente controla la intensidad del color de cada punto en la pantalla. Normalmente una sección de memoria dedicada, denominada “frame buffer”, se utiliza para almacenar estas variaciones de intensidad.
Color de Video
Los CRT de color son mucho más complicados.
Requieren precisión geométrica
El fósforo debe ser aplicado en patrones sobre la superficie del CRT
Requieren una malla de metal alineada
Cuentan con tres disparadores de electrones
Son menos brillantes que los CRT’s monocromáticos.
Disparador de electrones en arreglo delta
Disparador de electrones en arreglo entrelazado
Displays rasterizados
Desventajas
Requiere arreglos de memoria acordes al tamaño del monitor
Muestreo espacial discreto (pixeles)
Ocurren patrones Moire cuando las frecuencias de mascara y el grado de punto no coinciden
Convergencia (variación en los ángulos para aprovechar la distancia del rayo de electrón sobre la superficie CRT)
Se limita a un tamaño práctico (< 40 pulgadas)
Falsa radiación de rayos X
Ocupan mucho volumen
Ventajas
Permite que sean desplegados los sólidos
Se poya en los CRT’s de bajo costo (TVs)
Toda la pantalla es constantemente actualizada
Tecnología de display de brillantes de la luz emitida.
Liquid Crystal Displays (LCD)
Actualmente, la alternativa más popular de los CRT son los displays de cristal liquido (LCD). Los LCD son moléculas orgánicas que, en ausencia de fuerzas externas, tienden a autoalinearse en estructuras cristalinas. Pero cuando se aplica una fuerza externa se reacomodan como si fueran un líquido. Algunos cristales líquidos responden al calor, otros a fuerzas electromagnéticas.
Cuando los LCDs son utilizados como moduladores ópticos están cambiando la polarización más que la transparencia (esto es al menos para la mayoría de los LCDs denominados “Super-twisted Nematic Liquid crystals”). En su estado pasivo o estado cristalino, el LCD rota 90 grados la polarización de la luz. En la presencia de un campo eléctrico, los LCDs se comportan como un líquido y alinean los cargos electrostáticos de las moléculas con el campo E.
La transición entre los estados cristalino y líquido es un proceso lento. Esto tiene tanto efectos tanto buenos como malos. Los LCD’s así como los fósforos, permanecen “encendidos”, por algún tiempo después de que es aplicado el campo E. Así la imagen es persistente como en los CRT’s, pero este es más tardado hasta que los cristales se realinean, es por ello que deben ser actualizados más frecuentemente que un CRT
LCD’s reflectivos y retro-iluminados
Mas que generar una luz como un CRT, los LCDs actúan como valores de luz. Por eso, son dependientes de una fuente de luz externa. En el caso de un display transmisivo, normalmente se utiliza una luz en la parte posterior. Los displays reflectivos toman ventaja de la luz ambiental. Así los displays transmisivos son difíciles de ver cuando son expuestos a fuentes de luz externa, y los displays reflectivos no pueden ser vistos en la oscuridad. Es notorio que la mitad de la luz se pierde en la mayoría de las configuraciones de LCD.
LCDs de Matriz Activa
Los LCDs por si mismos tienen requerimientos de energía bastante bajos. Se requiere un campo eléctrico muy pequeño para excitar los cristales a su estado líquido. La mayoría de la energía utilizada por un display de sistema LCD es debido a la luz posterior.
Como se mencionó anteriormente los LCDs tienen una lenta transición en retorno a su estado cristalino cuando el campo E es retirado. En displays, con un gran número de pixeles, el porcentaje del tiempo que los LCDs son excitados son muy pequeños.
Así los cristales gastan la mayoría de su tiempo en estados intermedios, ni “ON” ni “OFF”. Este comportamiento es indicativo de displays pasivos. Se puede notar que estos displays no son muy nítidos y son propensos a generar imágenes fantasmas. Las celdas individuales son muy similares a los descritos anteriormente. La principal diferencia es que los campos eléctricos son retenidos por un capacitor, de tal manera que el cristal permanece en constante estado.
Los switches de transistores son utilizados para transferir la carga a los capacitores durante el proceso de escaneo. Los capacitores pueden guardar la carga por un tiempo más largo que el periodo de actualización generando fácilmente un display sin sombras. Los displays activos, requieren del trabajo de un capacitor y un transistor para cada LCD o elemento pixel, es por ello que son más caros de producir.
Display de Paneles de Plasma
Menos eficientes que los CRTs
Nos son tan brillantes
Requieren mas energía.
Pixeles más grandes (~1 mm comparados a los .2mm de los CRT)
El bombardeo de iones merman el fósforo
Empleados para displays de grandes formatos .
Son básicamente tubos fluorescentes.
Descargas de alto voltaje excitan una mezcla de gas (He,Xe)
Se emite luz UV
La luz UV excita los fósforos
Angulo de visión largo.
Dispositivos de Emisión de Campos (FEDs)
Funcionan como un CRT con múltiples disparadores de electrones en cada pixel.
Utiliza voltajes modestos aplicados a puntos finos para producir fuertes campos E.
De tamaño limitado
Delgados y requieren de un vacío.
Digital Micromirror Devices (DMDs)
Dispositivos microelectromecánicos (MEMs)
Fabricados utilizando técnicas de procesamiento VLSI
Arreglos de espejos 2-D
Se inclinan +/- 10 grados
Controlados electroestáticamente
Pixeles realmente digiales.
Se emplean solo para displays de proyección.
Niveles de fris vía modulación de amplitud de pulso (PWM).
Excelente resolución y factor de llenado.
Luz eficiente
Presenta problemas con algunas pérdidas de luz y parpadeo.
Arreglos de LEDs (Light Emitting Diode)
Diodos orgánicos de emisión de luz (Organic Light Emitting Diodes – OLEDS)
Funcionan de manera similar a un semiconductor LED
Construidos sobre una fina capa de polímero.
Procesamiento potencialmente simple.
Transparente
Flexible
Pueden ser apilados verticalmente
Excelente brillo
Con un gran ángulo de visión
Eficiente (baja energía / bajo voltaje)
Pueden hacerse grandes o pequeños
Tienden a romperse