Elementi di Computer Graphics. Dott. Marcello CASTELLANO Politecnico di Bari 1 Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica

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1 Elementi di Computer Graphics Dott. Marcello CASTELLANO Politecnico di Bari 1 Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica

2 Introduzione Le applicazioni della computer graphics sono nella vita di ogni giorno: Televisione, film, libri, giornali, manifesti, computer ecc.. La maggior parte degli utenti che utilizzano software grafici sono spesso inconsapevoli della natura della grafica delle immagini su cui stanno lavorando Cattivo impiego degli strumenti software utilizzati per la loro elaborazione 2

3 Computer graphics vs Computer Vision Computer Graphics: Riguarda tutti gli aspetti di sintesi delle immagini mediante computer INPUT: dati che descrivono la scena che si vuole sintetizzare OUTPUT: è la scena sintetizzata e visualizzata dall utente. Computer Vision: Riguarda tutti gli aspetti di analisi delle immagini INPUT: immagini (es: satellitari, tomografie ecc ) OUTPUT:dati che descrivono il contenuto dell immagine analizzata 3

4 In breve La Computer Graphics non è niente di più che un immagine rappresentata con l ausilio di un computer su un dispositivo di output: Monitor Stampanti Ecc. Le immagini possono provenire: dal mondo reale (es. foto) che viene convertita in un formato digitale Da software grafici predisposti per alla loro generazione 4

5 Grafica Interattiva La Grafica Interattiva è invece un importante caso in cui un utente può dinamicamente controllare il contenuto delle immagini, il loro formato, dimensione e colori per mezzo di dispositivi di interazione come tastiera, mouse, joystick ecc. 5

6 Vantaggi della digitalizzazione Il fatto di avere delle immagini in formato digitale offre numerosi vantaggi: Le immagini possono essere replicate senza perderne in qualità Possono essere trasmesse via rete Possono essere facilmente manipolate da software grafici Possono essere incorporate in documenti e pubblicazioni Possono essere visualizzate su diversi dispositivi di output come monitor, TV, stampanti ecc. 6

7 Due diverse categorie Tutte le immagini possono essere classificate in due grandi categorie: 1. VECTOR GRAPHICS 2. RASTER GRAPHICS La differenza sostanziale fra le due categorie consiste nei dettagli che possono descrivere. 7

8 Vector Graphics Le immagini vettoriali sono composte da OGGETTI. Tutti gli oggetti sono costruiti a partire da una serie di primitive quali: Punti Linee Rettangoli Ellissi Un insieme di oggetti possono essere aggregati per formare un altro oggetto che a sua volta può essere aggregato insieme ad altri a formare un ulteriore oggetto ecc. Si crea così una GERARCHIA DI OGGETTI 8

9 Vector Graphics Vantaggi: Le immagini possono essere ridimensionate in ogni direzione senza perdere in qualità Gli oggetti possono essere modificati, spostati e scalati a piacere dell utente Occupano pochissimo spazio in termini di memoria (dell ordine dei kilobytes) essendo costituite da un insieme di istruzioni grafiche: Line (x1,y1,x2,y2) Circle(x,y,radius) 9

10 Vector Graphics Svantaggi: Le immagini vettoriali sono per loro natura generate all interno della macchina e pertanto è pressoché impossibile rappresentare in questi termini un immagine proveniente dal mondo reale Es: E possibile rappresentare in maniera schematica un oggetto come un albero e quindi renderne l idea, ma è impossibile dettagliarne ogni particolare come ad esempio le foglie, le striature sul tronco ecc. 10

11 Applicazioni Vector Graphics E utilizzata soprattutto nel campo tecnico-scientifico: CAD Modelli scientifici Architettura Graphic art 11

12 Raster Graphics Viene detta anche Bitmapped Graphics. Le immagini sono composte da un insieme di punti detti PIXEL (picture element) e vengono dette BITMAPS. Le bitmaps possono essere create al calcolatore, ma la maggior parte delle volte sono immagini digitalizzate che provengono dal mondo reale. 12

13 Raster Graphics Ogni bitmap è caratterizzata da due proprietà: RISOLUZIONE: è determinata dalla dimensione orizzontale e verticale dell immagine misurata in pixel Es: 320x200, 640x480 ecc. COLOUR DEPTH: è determinata dalla quantità di memoria riservata a ogni pixel misurata in bit. Il numero di bit riservati per ogni pixel determina il numero di colori che possono essere visualizzati Es: 4 bit 2 4 = 16 colori 8bit 2 8 = 256 colori 24 bit 2 24 = 16,7 milioni di colori 13

14 Raster Graphics Vantaggi: E ideale per rappresentare in maniera dettagliata immagini reali. Con opportuni software è possibile: Regolare contrasto e luminosità Applicare differenti filtri di colori Rimuovere il rumore (es: immagini satellitari) Ecc. 14

15 Raster Graphics Svantaggi: E necessaria una grande quantità di spazio in memoria a causa del fatto che memorizzare il valore di ogni pixel. Nh= numero pixel in orizzontale Nv= numero pixel in verticale B= byte per pixel Dimensione immagine= Nh Nv B Es: La dimensione di un immagine true-color con una risoluzione 3000x2000 occupa 3000x2000x24bit=18 MB 15

16 Raster Graphics Svantaggi: Il ridimensionamento di un immagine è problematico: L ingrandimento comporta l inserimento di pixel non reali ottenuti per interpolazione dei pixel vicini. Si ottiene un effetto mosaico. La riduzione comporta l eliminazione di alcuni pixel e quindi una necessaria perdita di informazione e dettaglio. 16

17 Palette & Look-up Table A ogni pixel viene associato un valore numerico che poi viene interpretato dal dispositivo di visualizzazione Il range di colori disponibili è detto paletta dei colori (palette), ma spesso soltanto un sottoinsieme di questo è disponibile o si vuole utilizzare. Si preferisce pertanto usare un metodo indiretto di indirizzamento del colore basato su una tavolozza (look-up table). Il valore associato al pixel viene usato per indicizzare la look-up table. 17

18 Palette & Look-up Table Grazie a questo metodo è possibile modificare il modo in cui viene visualizzata l immagine senza modificare i dati dell immagine stessa. 18

19 Palette & Look-up Table Grey-Scale Full-Color 19

20 Compressione La compressione è un processo che consiste nell eliminazione della ridondanza dei dati in un file in maniera tale da ridurne la sua dimensione. In mancanza di queste tecniche su un supporto CDROM potrebbero essere salvati non più di 78 secondi di un full-screen/full motion video Le tecniche di compressione possono essere di due tipi: Lossless non si perdono informazioni durante la compressione Lossy si perdono informazioni durante la compressione 20

21 RunLengthEnconding Questo metodo permette la compressione di quelle immagini in cui sono presenti aree uniforme di colore E possibile descrivere un insieme di pixel adiacenti che hanno lo stesso colore con una coppia di valori che indicano: Il codice del colore Il numero di pixel che formano l insieme 21

22 RunLengthEnconding Supponiamo di avere un immagine a 256 colori Per rappresentare il valore numerico del colore occorre 1 byte byte {23,6} {12,3} {10,1} {9,5} 8 byte Il metodo non è molto efficace nel caso di bitmaps complesse in cui è poco probabile avere pixel adiacenti con lo stesso colore la compressione rende la dimensione del file maggiore! 22

23 Huffman Coding E un metodo statistico di compressione che si basa sulla frequenza di occorrenza dei valori dei pixel. 1. L immagine viene analizzata e si costruisce una tabella dei valori con la rispettiva occorrenza. 2. Viene utilizzato un codice binario a lunghezza variabile, assegnando la codifica più breve al valore con frequenza più alta N.B. Il codice di Huffman ha la proprietà che non è mai prefisso di un'altro. Questo significa che nonostante la lunghezza dei codici sia variabile, il compressore saprà sempre quando un codice finisce ed un altro inizia. 23

24 Huffman Coding Consideriamo un immagine a 256 colori 8 bit per pixel Supponiamo di avere un sequenza di 100 valori con la seguente occorrenza Valore Occorrenza Dimensione totale 100 byte

25 Huffman Coding Valore Frequenza Valore Codice Dimensione= =170 bit ~= 22 byte 25

26 Lossy Compression I metodi di compressione Lossy si basano sul fatto che l occhio umano non è in grado di percepire distintamente delle variazioni di colore molto simili. Si baratta una perdita di qualità dell immagine con una compressione molto più efficiente. N.B. Questo tipo di compressione non è ammissibile se l immagine deve essere processata da un computer. 26

27 Formato dei file BITMAP Il grande numero di algoritmi di compressione che sono stati sviluppati si è riflesso nel gran numero di formati di file con cui vengono salvate le immagini. VECTOR BMP Windows Paintbrush CGM Computer Graphics Metafile GIF Compuserve Graphics Interchange Format DXF Computer Aided- Design PCX PC Paintbrush WMF Windows MetaFile TIFF JPEG Tagged Image file format Joint Photographic Experts Group 27

28 Formato dei file PCX è stato realizzato per una particolare marca di prodotti, ma è stato comunque accettato sul mercato CGM e TIFF sono stati standardizzati dall ISO (International Standard Organization) e non sono stati realizzati in relazione a un particolare prodotto BMP è l unico dei formati elencati a non essere compresso. Svantaggio : richiede più memoria Vantaggio : non richiede CPU per la decompressione 28

29 Il colore Wavelength 3km Radio waves Frequency (Hz) 10 5 Il colore è la percezione umana della porzione visibile dello spettro elettromagnetico, il quale si estende dalle basse onde radio fino ai raggi gamma. Spettro visibile [380nm, 700nm] 3cm 0.3 mm 3000 nm 300 nm 30 nm Microwave Infrared Ultraviolet Xrays Red Violet 380 nm Visible Spectrum 700 nm Viola 360 nm Blu 480 nm Giallo 580 nm Rosso 700 nm nm nm nm Gamma rays Cosmic rays

30 L occhio umano L occhio umano è un sistema di visualizzazione sofisticato capace di distinguere anche piccole differenze di luminosità e colore. La luce viene focalizzata sulla retina mediante un cristallino flessibile la cui forma è controllata da un muscolo La retina è composta da due celle sensibili: i coni e i bastoncelli I bastoncelli si trovano nella periferia della retina, non sono sensibili al colore e sono responsabili della nostra vita notturna I coni contengono dei fotopigmenti sensibili al colore e operano solo in presenza di luce Cornea Cristallino lente Umor vitreo Fovea Punto focale Punto cieco Nervo ottico Retina 30

31 I tre colori fondamentali La retina del nostro occhio è formata da tre tipi di coni che sono sensibili rispettivamente al: Rosso (lunghezza d onda nm ) Verde (lunghezza d onda nm nm ) Blu (lunghezza d onda nm ) Tutti gli altri colori intermedi vengono percepiti dall occhio umano come una miscela additiva dei tre colori fondamentali. Ad esempio il colore giallo è percepito quando sono stimolati contemporaneamente i coni del verde e del rosso. 31

32 La percezione visiva I nostri occhi sono più sensibili alle radiazioni di alcune lunghezze d onda (giallo e rosso) piuttosto che ad altre. Il cristallino e lo umor vitreo assorbono maggiormente le radiazioni con lunghezze d onda più lunghe La retina è composta per la maggior parte da coni sensibili al rosso piuttosto che al verde e al blu La percezione della luminosità dei colori è piuttosto non-lineare: infatti affinché un area blu e un area rossa ci appaiano con la stessa intensità, occorre che l area blu abbia un intensità maggiore rispetto all area rossa 32

33 Un modello per il colore La descrizione del colore basata sulle proprietà fisiche della luce (ad esempio le proprietà elettromagnetiche), non è adatta a descrivere la percezione umana del colore. Sono stati concepiti dei modelli per il colore, chiamati spazio dei colori, che si basano sul concetto della miscelazione dei colori. Per mezzo di tre colori primari è possibile sintetizzare tutti i colori possibili. Vantaggi: Descrizione più intuitiva Descrizione numerica del colore che può essere facilmente usata per i dispositivi di visualizzazione e stampa 33

34 Meccanismo di percezione Il colore di un oggetto viene percepito come tale per la luce che viene da esso emessa o riflessa. Esempio: Una ciliegia sullo schermo televisivo ci appare rossa perché viene emessa una luce rossa Una ciliegia reale invece ci appare rossa perché essa assorbe tutte le radiazioni del visibile tranne quelle con lunghezze d onda vicino al rosso che viene pertanto riflessa. 34

35 La sintesi additiva La sintesi additiva del colore è quella utilizzata non solo dall occhio umano ma anche da molti dispositivi di visualizzazione, quali monitor che emettono luce propria. I colori primari utilizzati sono il rosso, il verde e il blu (RGB- redgreen-blu) a cui sono sensibili i coni dell occhio umano. L immagine viene scomposta in pixel alternativamente rossi, verdi e blu. Se la trama ottenuta è parecchio fitta, l occhio umano non è in grado di distinguere i vari pixel. ESEMPIO 35

36 La sintesi sottrattiva La sintesi sottrattiva è invece opposta a quella additiva. I colori fondamentali sono i complementari dei colori fondamentali utilizzati nella sintesi additiva: Il Giallo (complementare del blu) Il magenta (complementare del verde) L azzurro ciano (complementare del rosso) In inglese sono sintetizzati dalla sigla YMC (yellow,magenta,cyan) 36

37 La sintesi sottrattiva Se sovrapponiamo più filtri colorati nella visualizzazione delle immagini, al nostro occhio giungeranno soltanto i colori che non sono stati filtrati. Ogni volta la luce attraversa un filtro, una parte della luce viene sottratta e questo giustifica il termine sottrattivo. La sintesi sottrattiva è utilizzata nelle pellicole delle macchine fotografiche, le quali sono ricoperti da tre strati sovrapposti giallo, magenta e ciano. 37

38 Il modello RGB Il modello RGB (red-green-blu) si basa sul sistema di sintesi additiva dei colori ed è utilizzato in tutti quei dispositivi di proiezioni (monitor). A ogni pixel viene assegnato un valore di intensità tra [0;255] per ogni componente RGB. Quando tutti e tre i valori sono uguali viene rappresentato una tonalità di grigio Se i valori sono tutti 0, allora si sta rappresentando il nero Se i 3 valori sono 255, si ottiene il bianco 38

39 Il modello CMYK Il modello CMYK (cyan-magenta-yellow-black) si basa sulla proprietà di assorbimento della luce di alcuni inchiostri utilizzati su carta. Ogniqualvolta la luce colpisce un inchiostro traslucido, una parte della radiazione viene filtrata (assorbita) e la rimanente riflessa. In teoria i 3 colori C M e Y dovrebbero essere sufficienti a sintetizzare il nero. In realtà le impurità di questi inchiostri portano al più alla sintesi di un marrone scuro. Pertanto ai precedenti si aggiunge anche il nero. 39

40 Il modello HSB Il modello HSB è basato sulla percezione umana del colore e descrive tre caratteristiche principali del colore: H=HUE è il colore di un oggetto e viene indicato sulla ruota dei colori standard con un numero compreso tra [0 ;360 ] S=SATURATION indica la purezze del colore. Il valore inverso della saturazione rappresenta la quantità di grigio rispetto alla tonalità: 0% grigio neutro, 100% saturazione massima (colore puro) B=Brightness è la chiarezza relativa del colore misurata come percentuale da 0% (nero pieno) a 100% (bianco). 40

41 Hardware Un tipico sistema per la Interactive Computer Graphics è composto da 4 sottosistemi: Computer Display Processing Unit Dispositivi di visualizzazione Dispositivi di Input Plotter Stampante Computer DPU Display Dispositivi di Interazione 41

42 Scheda video La visualizzazione delle immagini ad alta risoluzione e true-color richiedono: Una considerevole quantità di memoria disponibile per la visualizzazione delle immagini Una elevata velocità alla quale il display deve essere ridisegnato Questi fattori vengono controllati dalle schede video. Esse sono realizzate mediante circuiti stampati con a bordo un processore e una memoria video. La quantità di memoria gioca un ruolo importante per la visualizzazione di immagini ad alta risoluzione e true color. 42

43 DPU La DPU è una CPU a tutti gli effetti dedicata a uno speciale compito: Eseguire una sequenza di istruzioni grafiche che formano il cosiddetto display program o DPU program Gestire l interazione dell utente con i dispositivi di input come tastiera, mouse ecc. Infatti essa è caratterizzata da: Un proprio set di istruzioni (disegno di un punto, di un segmento, di un cerchio, di un carattere) Un proprio formato per i dati un contatore di istruzioni 43

44 DPU L architettura di una DPU può essere organizzata per creare immagini in due modalità: Random Scan (detta anche Vector Scan) Raster Scan 44

45 Random Scan Le immagini sul display possono essere disegnate seguendo un qualsiasi ordine Es: Plotter è un dispositivo random scan in cui una penna viene mossa in ogni direzione su un foglio per disegnare un immagine Es: Il triangolo viene disegnato deflettendo il fascio partendo da una posizione iniziale 45

46 Raster Scan Il display viene diviso in linee orizzontali e il fascio disegna partendo da sinistra verso destra tutte le parti presenti nella linea corrente. Es: TV e Stampanti Durante la scansione da sinistra verso destra l intensità del fascio viene modulata per creare diverse gradazioni di grigio Alla fine di ogni riga il fascio viene spento e riposizionato all inizio della riga successiva Completata la scansione del quadro il fascio viene spento e posizionato all angolo superiore sinistro 46

47 CRT La grafica interattiva richiede dispositivi di visualizzazione che permettono, a differenza delle stampanti o dei plotter, di poter cambiare l immagine visualizzata velocemente. Il dispositivo più comune che permette di soddisfare la richiesta precedente è il Tubo a Raggi Catodici (CRT). 47

48 Principio di Funzionamento Un cannone elettronico costituito da un catodo emette un fascio di elettroni (emissione termoionica) che vengono accelerati verso lo schermo. Il fascio viene focalizzato e deflesso con un campo elettrostatico su un particolare punto dello schermo Lo schermo è ricoperto da un sottile strato di fosforo che quando colpito dal fascio di elettroni emette luce Siccome la luce emessa dai cristalli di fosforo decade esponenzialmente, l intera schermata deve essere ridisegnata con una certa frequenza 48

49 CRT a colori La superficie dello schermo è coperta da cristalli di fosforo che se colpiti emettono luce blu,verde o rossa I cristalli sono organizzati a triangolo Vengono utilizzati 3 fasci di elettroni deflessi simultaneamente su un particolare punto dello schermo Si utilizza uno schermo metallico (shadow-mask) per diminuire la deformazione delle immagini 49

50 LCD La tecnologia a Cristalli Liquidi permette la costruzione di dispositivi a panello piatto e sono adatti ad applicazioni portatili grazie al loro basso consumo. Il principio degli LCD si basa sulla proprietà di alcune sostanze organiche che si trovano in uno stato intermedio tra il solido e il liquido, detto nematico. Il display è costituito da uno strato molto sottile di cristallo liquido (spesso circa 20 micron), racchiuso tra due superfici piane trasparenti polarizzatrici (orientate in verticale e orizzontale). 50

51 LCD Le due superfici esterne sono ricoperte da una sottile matrice di fili trasparenti e conduttori che formano una coppia di elettrodi e che individuano un preciso punto dello schermo. Applicando un campo elettrico agli elettrodi è possibile orientare le molecole e lo strato di cristallo liquido diventa trasparente o riflettente alla luce. Gli LCD si possono classificare in: Riflettenti (viene sfruttata la luce dell ambiente) Trasmissivi (viene utilizzata una luce interna) 51

52 LCD 52

53 Le stampanti ad aghi Le stampanti ad aghi utilizzano una tecnologia basata su una matrice di aghi che imprimono un carattere su un foglio utilizzando un nastro ricoperto di inchiostro. Vantaggi: Sono affidabili Svantaggi: Sono lente producono immagini di bassa qualità 53

54 Stampanti inkjet Le stampanti a getto d inchiostro (inkjet) producono un immagine spruzzando sottilissime gocce d inchiostro su un foglio attraverso degli augelli. Sfruttano la sintesi sottrattiva del colore. Vantaggi: producono immagini di buona qualità a colori Sono veloci Hanno un basso costo Svantaggi: Le immagini appaiono imbrattate sui bordi che delimitano una area colorata. 54

55 Stampanti Laser Le stampanti laser usano un laser e un tamburo fotoconduttivo cilindrico su cui si depositano delle cariche elettrostatiche in corrispondenza dei punti di stampa. Su questa matrice elettrica viene in seguito deposto un inchiostro in polvere, detto Toner, che viene elettrostaticamente attratto dalle zone in cui è presente l immagine. Infine, questa immagine latente viene portata su un foglio di carta ancora con un processo elettrostatico. La superficie del foglio viene infatti sollecitata con una carica uniforme ma di segno opposto a quella del toner. La fusione a caldo del materiale plastico permette infine di fissare definitivamente l'inchiostro sul foglio. 55

56 Stampanti Laser Vantaggi: La qualità delle immagini prodotte è molto alta Il costo di stampa è basso perché riescono a stampare anche su normali fogli di carta Svantaggi: Il costo di questi dispositivi è alto 56

57 Lo Scanner E utilizzato per digitalizzare un immagine in una bitmap. Questo processo è ottenuto passando un fascio di luce contente delle lunghezze d onda note sull immagine e ricevendo la luce riflessa su semiconduttori fotosensibili (CCD: charged coupled device). I CCD producono una tensione proporzionale all intensità della luce che li colpisce. La scansione può essere effettuata: Con tre passate una per ogni colore primario Con un unica passata nel caso vengono usati 3 CCD ognuno dei quali fotosensibili a uno dei tre colori primari. Questi ultimi sono evidentemente più costosi dei primi. 57