3 - Applicazioni della Computer Grafica

La computer graphics costituisce uno dei campi dell'informatica moderna più ricchi di applicazioni. La maggior parte del software che oggi gira su personal computer e workstation utilizza interfacce grafiche basate su sistemi desktop-window, che consentono di gestire simultaneamente diverse attività, di selezionare articoli di un menu, icone, e oggetti sullo schermo. Altre applicazioni molto comuni riguardano la creazione di schemi e diagrammi a due e tre dimensioni per la visualizzazione e la descrizione di funzioni e modelli matematici, fisici ed economici; la produzione di mappe per qualsiasi tipo di informazione geografica; la visualizzazione e l'analisi dei dati generati negli esami di medicina diagnostica (quali ad esempio le tomografie assiali computerizzate, TAC); i sistemi di progettazione assistita dal calcolatore (CAD, dall'inglese Computer Aided Design), per disegnare parti meccaniche, planimetrie di edifici, circuiti stampati.

La computer graphics gioca un ruolo sempre più importante anche nei settori, in rapida espansione, dei sistemi multimediali e dei dispositivi di simulazione e animazione di visualizzazioni scientifiche e ingegneristiche (ad esempio le visualizzazioni di reazioni chimiche e nucleari, di deformazioni di strutture meccaniche sottoposte a diverse sollecitazioni, di sistemi fisiologici), ed è diventata persino uno strumento essenziale in alcune forme di intrattenimento (videogiochi, effetti speciali nei film, etc.).

Una possibile e generale definizione della Computer Grafica è:
“L'insieme delle tecniche digitali di elaborazione della informazione (hardware, software, sistemistiche, organizzative) per produrre immagini statiche e in movimento in formato digitale.”

Questa definizione è molto ampia. Essa ovviamente include anche la “elaborazione delle immagini” e altri rami della Informatica che pur condividendo moltissime tecniche e principi con la Computer Grafica si distinguono da essa.

Computer Grafica, Information Visualization, Computer Vision, Image Processing condividono tutte un grande generalissimo schema: prendono delle informazioni di varia natura in ingresso, le elaborano e restituiscono informazioni di varia natura in uscita.

Lo schema riportato è un po' rigido ed ovviamente non cattura la intera realtà di questo settore della elaborazione automatica. Infatti i modelli che si usano in Grafica spesso provengono da analisi ottenute in Visione, le immagini prodotte dalla Grafica spesso debbono essere ulteriormente elaborate per ottenere la qualità richiesta nelle applicazioni. E ancora: la Grafica richiede sempre più disponibilità di immagini adeguate da usare come sfondi, mappe ambientali di illuminazione, tessiture e sorgenti di informazioni allo scopo di sintetizzare immagini con elevato grado di fotorealismo.

• Visualizzazione di informazioni
• Progettazione
• Simulazione
• Interfacce utente

Importanza della comunicazione visuale rispetto al linguaggio parlato o scritto.
Esempi: cartografia, dati statistici.

Visualizzazione di dati medici prodotti da apparecchiature.
Esempi: tomografia computerizzata (CT), immagini per risonanza magnetica (MRI), tomografia a ultrasuoni e ad emissione di positroni (PET).

Visualizzazione scientifica: strumenti visuali per aiutare interpretazione di dati generati da simulazione mediante elaboratore di fenomeni fisici.
Esempi: fluido-dinamica, biologia molecolare, matematica.

Uso di strumenti grafici interattivi nella progettazione assistita da calcolatore (CAD).
Esempi: meccanica, architettura. Progettazione di circuiti (VLSI -CAD).

Nasce dalla capacita' degli odierni sistemi grafici di generare immagini sofisticate in tempo reale.
Esempi:

• simulatori di volo (aumentano la sicurezza e riducono i tempi di addestramento)
• videogiochi e software didattico per uso domestico
• generazione di immagini fotorealistiche per televisione, cinema e pubblicita'
• realta' virtuale:
  • utente equipaggiato con un casco con display che permette di vedere immagini diverse con l'occhio sinistro e l'occhio destro
  • posizione del corpo, della testa e in genere delle mani sono memorizzate dall'elaboratore
  • in genere l'utente puo' agire sulla scena mediante guanti che permettono di "sentire" forze esterne

Interazione con l'elaboratore dominata da un paradigma visuale che include finestre, menu', icone e un dispositivo di input (mouse).

Esempi: X Window, Microsoft Windows, Macintosh OS, Netscape

Un sistema grafico

Cinque componenti principali:

• processore
• memoria
• frame buffer
• dispositivi di output
• dispositivi di input

Frame buffer

Immagine viene convertita in matrice (o raster) di pixel.

Pixel sono codificati nel frame buffer, area di memoria in genere implementata con chip di memoria speciali (Video Random-Access Memory, VRAM, o Dynamic Random-Access Memory, DRAM).

Contenuto del frame buffer (= rappresentazione in memoria dell'array di pixel) detto pixmap (pixel map) o bitmap.

Dimensioni del frame buffer in x,y corrispondono a larghezza ed altezza della finestra di output su schermo.

Numero di pixel determina il dettaglio con cui puo' essere vista l'immagine (risoluzione).

In genere il frame buffer e' composto da piu' buffer, fra cui

• color buffer: contiene le informazioni sul colore dei pixel.
  Profondita' = numero di bit usati per il colore di ciascun pixel. Es: color buffer profondo 1 bit permette solo 2 colori, color buffer profondo 8 bit permette 2^8 colori. Sistemi full color in genere 24 bit per pixel: 8 per ciascuno dei colori primari red, green, blue (R,G,B).
• depth buffer: contiene informazione sulla distanza dall'osservatore della porzione di scena visualizzata nel pixel.
  Serve per effettuare eliminazione di parti nascoste in visualizzazione di scene 3D.

Spesso finestre grafiche hanno double buffer:

• front buffer = quello visualizzato sullo schermo, e
• back buffer = in memoria ma non visualizzato

Il programma disegna nel back buffer e poi scambia i due buffer in modo da visualizzare istantaneamente quanto disegnato. Invece nelle finestre con single buffer il programma disegna direttamente nel front buffer, e siccome disegnare richiede un certo tempo, questo produce un effetto visivo sgradevole.

Processore

Processore nel sistema grafico svolge normale elaborazione + elaborazione grafica.

Funzione grafica principale:

• Il programma applicativo specifica primitive grafiche (linee, cerchi, poligoni)
• Il processore elabora tali primitive e assegna valori ai pixel nel frame buffer

Le primitive geometriche sono espresse in forma vettoriale. La conversione di primitive geometriche in assegnazioni ai pixel e' detta rasterizzazione o scan conversion. Alcuni sistemi grafici hanno hardware specializzato per specifiche funzioni grafiche.

Dispositivi di output

Display a raggi catodici (CRT).

I pixel del frame buffer nel sistema grafico sono visualizzati come punti sulla superficie del display.

Velocita' con cui il contenuto del frame buffer e' trasferito nel display = refresh rate (frequenza di rinfresco).

Due metodi fondamentali con cui i pixel sono visualizzati sul CRT:

• sistemi non interlaced: pixel sono visualizzati riga per riga alla frequenza di rinfresco (di solito da 50 a 70 volte al secondo)
• sistemi interlaced: righe pari e dispari sono rinfrescate alternatamente (in un sistema a 60 Hertz lo schermo e' riscritto interamente 30 volte al secondo)

Oltre agli schermi CRT, vi sono schermi a cristalli liquidi (LED) usati nei computer portatili.

Dispositivi di input

In genere tastiera + almeno un dispositivo puntatore (mouse, joystick, penna, tavoletta magnetica).

Creazione di un'immagine

Ingredienti alla base del processo di formazione delle immagini:

• oggetti (sintetici)
• luce
• osservatore

Oggetti

Oggetti in computer graphics sono specificati attraverso primitive geometriche quali punti, linee e poligoni. In genere si deve specificare il tipo di primitiva + un insieme finito di posizioni spaziali, dette vertici.

Alle primitive si associano anche informazioni che specificano in che modo esse reagiscono alla luce (parametri di materiale).

L'insieme degli oggetti forma la scena da visualizzare.

Luce

Sorgenti luminose: senza sorgenti luminose, gli oggetti sarebbero bui e non ci sarebbe alcunche' di visibile nell'immagine.

Luce = forma di radiazione elettromagnetica che rientra nello spettro visibile (= lunghezza d'onda fra 350 e 780 nanometri).

Si usano leggi dell'ottica geometrica in cui

• sorgenti luminose sono modellate come emittenti di energia luminosa che hanno un'intensita' fissata
• la luce si irraggia in linea retta

Si considerano sorgenti puntiformi: energia e' emessa da una singola locazione in modo eguale in tutte le direzioni.

In generale luce monocromatica = sorgente di una unica frequenza.

Osservatore

L'osservatore forma l'immagine degli oggetti. La stessa scena produce immagini diverse se vista da osservatori diversi.

La luce emessa dalle sorgenti viene riflessa dagli oggetti ed e' raccolta dall'occhio / obiettivo dell'osservatore.

• Sistema visivo umano: immagine si forma dietro all'occhio.
• Macchina fotografica: immagine si forma sulla pellicola.

Per specificare un'osservatore occorre dare la sua posizione ed altri parametri che descrivono caratteristiche della macchina fotografica (tipo di proiezione, ampiezza e profondita' dell'inquadratura).

Processo di formazione dell'immagine

Secondo un paradigma che separa due stadi fra loro indipendenti:

• modellazione (definizione della scena)
• rendering (formazione dell'immagine)

Modellazione della scena

Definisce gli oggetti, li posiziona, specifica proprieta' come colori, materiali...

L'output di questo stadio e' la scena pronta per essere guardata.

Rendering

L'input di questo stadio e' la scena prodotta dallo stadio di modellazione + una specifica del modo in cui la scena deve essere vista (osservatore, sorgenti luminose...).

L'output di questo stadio e' l'immagine (matrice di pixel con valori di colore, da inviare ad una finestra sullo schermo).

Dal modello geometrico della scena alla sua immagine (analogia col processo fotografico):

• Posizionare ed orientare la macchina fotografica rispetto alla scena (trasformazioni di coordinate).
• Scegliere l'apertura dell'obiettivo: le parti della scena che non sono "inquadrate" saranno tagliate (clipping).
• Scattare la foto: la parte di scena inquadrata viene proiettata su un piano (passaggio da 3D a 2D).
• Stampare la foto: rasterizzazione per passare da una descrizione vettoriale degli oggetti (fatta di primitive quali segmenti di linea e poligoni) ad un insieme di pixel nel frame buffer.

Modellazione

Come si specifica una scena.

Primitive geometriche

Un pacchetto grafico mette a disposizione primitive geometriche (tipi predefiniti di oggetti che posso tracciare): punti, segmenti, triangoli, poligoni.

Le primitive sono descritte in termini di vertici, dove vertice = coppia (in 2D) o terna (in 3D) di coordinate. Esempi: punto e' dato da 1 vertice, segmento da 2 vertici...

Le coordinate dei vertici sono espresse in un sistema di riferimento, detto sistema di coordinate di modellazione (MC = Modeling Coordinates).

Ciascun oggetto della scena e' descritto da un insieme di primitive. Esempio: tetraedro descritto da 4 triangoli.

Attributi grafici

Ciascuna primitiva puo' avere attributi grafici che influenzano la sua apparenza quando sara' resa.
Esempi: grandezza del marchio usato per un punto, spessore di linea, tratteggio, modalita' di riempimento per le primitive bidimensionali, colore...

Modularita'

Una scena e' composta di vari oggetti (es: stanza con mobili), ed anche un singolo oggetto puo' essere composto di parti (es: tavolo = 1 piano + 4 gambe, dove le gambe sono uguali fra loro, cambia solo la posizione).

E' conveniente modellare separatamente ogni oggetto della scena (ogni parte di un oggetto). Ciascun oggetto e' cosi' definito in un sistema di coordinate di modellazione proprio.

Poi si compone la scena collocando i vari oggetti in un sistema di riferimento comune, detto sistema di coordinate della scena o del mondo (WC = World Coordinates).

Si possono anche collocare piu' copie dello stesso oggetto in posizioni diverse.

Per collocare un oggetto nella scena lo si sottopone a trasformazioni geometriche: traslazioni, rotazioni, scalature (dette trasformazioni di modellazione).

Inoltre posso sottoporre ogni copia di un oggetto ad attributi grafici diversi (es: diverso colore).

Vantaggi dell'approccio modulare alla modellazione:

• Scrivo meno codice (evito di replicare la definizione di oggetti uguali).
• Facile modificare la scena. Es: per spostare un oggetto basta cambiare la trasformazione ad esso applicata (non devo cambiare tutte le coordinate nelle primitive che lo descrivono). Idem per cambiare attributi grafici (colore...).

Specifiche di vista

Ho la scena composta in coordinate del mondo. Devo specificare da dove e come voglio osservarla.

Come si colloca l'osservatore rispetto alla scena o (equivalentemente) la scena rispetto all'osservatore.

Devo dire al sistema grafico:

• posizione dell'osservatore (un punto) = dove e' la macchina fotografica
• direzione di vista (un vettore) = verso dove la punto
• direzione dell'alto (un vettore) = come la tengo girata

In base a queste informazioni il pacchetto grafico porta la scena in un altro sistema di coordinate, dette coordinate di vista (view coordinates) o dell'occhio (eye coordinates), che e' definito rispetto all'osservatore.

Per esempio, in OpenGL (altri sistemi hanno diverse convenzioni):

• l'origine e' nel punto di vista
• la direzione dell'asse y e' la direzione dell'alto
• la direzione dell'asse z e' l'opposta della direzione di vista
• la direzione dell'asse x e' t.c. la terna di assi xyz sia orientata nel modo consueto

La trasformazione da coordinate del mondo a coordinate di vista consiste in traslazione + rotazione (detta trasformazione di vista).

Specifica del tipo di proiezione e clipping

Ho la scena collocata davanti all'osservatore (= scena in coordinate di vista). Devo stabilire

• con che lente la guardo (come sara' deformata) = tipo di proiezione (parallela, ortogonale, prospettica)
• quanta parte ne inquadro = volume di vista

La forma del volume di vista dipende dal tipo di proiezione:

• proiezione parallela: parallelepipedo obliquo
• proiezione ortogonale: parallelepipedo retto
• proiezione prospettica: tronco di piramide

Pacchetto grafico fornisce funzioni per definire contemporaneamente tipo di proiezione e volume di vista.

In base alle specifiche di proiezione, il sistema trasforma la scena (la parte di essa contenuta nel volume di vista) in un sistema di coordinate normalizzato pronto per la trasformazione da 3D a 2D, detto sistema di coordinate normalizzate di proiezione (NPC).

NPC e' un cubo con intervallo di coordinate prefissato (es: in OpenGL le coordinate sono tra -1 ed 1, in altri sistemi sono tra 0 e 1).

Una coppia di facce del cubo e' parallela al piano su cui dovra' essere formata l'immagine, le altre facce sono parallele alla direzione di vista.
In openGL il piano immagine e' parallelo al piano xy del cubo e la direzione di vista e' parallela all'asse z del cubo.

Nel cubo viene mappato tutto e solo il contenuto del volume di vista, deformandolo opportunamente:

• proiezione ortogonale: deformazione = scalatura (eventualmente con fattori diversi nelle tre direzioni xyz)
• proiezione prospettica: deformazione allarga la parte vicina (verso la base minore del tronco di piramide) e restringe la parte lontana (verso la base maggiore) in quanto entrambe le basi del tronco di piramide devono essere rese uguali alla faccia del cubo.

Questa trasformazione e' detta trasformazione di proiezione. NOTA BENE: NPC e' ancora un sistema di riferimento tridimensionale!

Passaggio da 3D a 2D

Il contenuto del cubo NPC viene mappato in 2D schiacciandolo sul piano di proiezione.
In OpenGL questo corrisponde ad uno schiacciamento lungo l'asse z.

Le primitive bidimensionali risultanti da questo schiacciamento sono discretizzate mediante rasterizzazione per portarle in un sistema di riferimento discreto solidale con la finestra di rendering.

Tale sistema di riferimento di arrivo e' chiamato device coordinates o screen coordinates ed e' un sistema di coordinate intere dove 1 unita' = 1 pixel.

Pipeline di visualizzazione

Riepilogo della sequenza di trasformazioni geometriche a cui sono sottoposti gli oggetti di una scena dalla fase di modellazione a quella di resa grafica.

Pipeline di visualizzazione (corsivo = sistemi di coordinate, stampatello = trasformazioni di coordinate):

Indice degli Argomenti:

1 - La Computer Grafica

2 - Breve storia della Computer Grafica

3 - Applicazioni della Computer Grafica

4 - Computer-Generated Imagenery

5 - Film di animazione realizzati in Computer Grafica

6 - Motion Graphics

7 - Animazione

8 - Matte Painting - Scenografie Virtali

9 - Da grafica vettoriale a Grafica Raster

10 - I sistemi Grafici Interrativi

11 - Categorie della Computer Grafica