Seminario Informatica Grafica

1. Seminario Informatica Grafica Ing. Tommaso Coviello Politecnico di Bari E-mail: coviello@deemail.poliba.it

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

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

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

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.

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.

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

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

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)

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.

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

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.

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24 = 16 colori 8 bit28 = 256 colori 24 bit224 = 16,7 milioni di colori

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.

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

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.

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.

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.

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

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

21. Run Length Enconding 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

22. Run Length Enconding Supponiamo di avere un’immagine a 256 colori Per rappresentare il valore numerico del colore occorre 1 byte 23 23 23 23 23 23 12 12 12 10 9 9 9 9 9 15 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!

23. Huffman Coding E’ un metodo statistico di compressione che si basa sulla frequenza di occorrenza dei valori dei pixel. • L’immagine viene analizzata e si costruisce una tabella dei valori con la rispettiva occorrenza. • 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.

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 Dimensione totale 100 byte

25. Huffman Coding 0 0 1 1 0.5 0 0.2 1 1 Dimensione=1×50 + 2×30 + 3×15 + 3×5=170 bit ~= 22 byte

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.

27. Formato dei file 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.

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

29. Il colore 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] • Viola 360 nm • Blu 480 nm • Giallo 580 nm • Rosso 700 nm

30. L’occhio umano Cristallino 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

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 622-780 nm ) • Verde (lunghezza d’onda 492-577 nm nm ) • Blu (lunghezza d’onda 455-492 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.

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

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

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.

35. La sintesi additiva La sintesiadditiva 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- red-green-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

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)

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.

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

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.

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).

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

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.

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

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

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

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

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).

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

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

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).