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Dispositivos de Entrada e Saída
Dispositivos de Entrada e Saída
SCC0250 - Computação Grá�ca
Prof. Fernando V. Paulovichhttp://www.icmc.usp.br/~paulovic
Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC)Universidade de São Paulo (USP)
3 de maio de 2011
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Dispositivos de Entrada e Saída
Dispositivos de Saída (Exibição)
Sumário
1 Dispositivos de Saída (Exibição)
2 Dispositivos de Entrada
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Sistema Grá�co
É um sistema de computaçãoProcessadorMemóriaFrame bu�erDispositivos de saídaDispositivos de entrada
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Monitor de Vídeo
Tecnologia �tradicional� é o CRT (Cathode Ray Tube)
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Conversão Digital-Analógica para exibição no CRT
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Computação Grá�ca: Dispositivos de Exibição
Natureza AnalógicaGrá�cos vetoriais (�vectorgraphics�)
imagens formadas porsegmentos de retageradas a partir de�display �les�
Natureza DigitalGrá�cos matriciais (�rastergraphics�)
imagens formadas pelopreenchimento dematriz de �pixels�geradas a partir de�frame-bu�ers�
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Arquitetura de Dispositivo de Exibição Vetorial
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Geração da Imagem em Dispositivo Vetorial
Descrição da cena mantida em arquivo denominado �display�le�
Controlador de vídeo interpreta comandos especi�cados nodisplay �leComandos primitivos:
Posiciona no ponto (x,y)Traça linha da posição corrente até o ponto (x,y)
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Dispositivos Vetoriais: Características
Representação, manipulação e display da cena baseadas narepresentação geométrica dos objetos (mantida na display list)
Restauração da tela é feita retraçando os vetores que de�nemos objetos (varredura por rastreio aleatório)
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Dispositivos Vetoriais: Vantagens
Operações podem ser aplicadas diretamente sobre objetosTransformações podem ser aplicadas apenas aos pontosextremosPouca memória mesmo para cenas complexasAusência de aliasing
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Dispositivos Vetoriais: Desvantagens
Difícil preencher interiores dos objetos�Flicker� em imagens complexasRestauração da tela depende da complexidade da cenaAlto custoTecnologia ultrapassada (há muito tempo)
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Arquitetura de Dispositivo de Exibição Matricial
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Varredura por Rastreio Fixo
Não-entrelaçado: linha por linha (50-85Hz)Entrelaçado: linhas pares e ímpares (60Hz)
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Geração da Imagem em Dispositivo Matricial
Descrição da cena mantida no frame-bu�er, que contém umaposição associada a cada pixel da tela
Para cada pixel, o valor armazenado na posição correspondentede�ne a intensidade (ou cor) com que o pixel será traçado
Todos os objetos são pixels
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Pixels
Cada pixel corresponde a uma pequena área da imagem �armazenados no frame bu�er
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Estrutura de um CRT Colorido
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Estrutura de um CRT Colorido
Intensidade dos feixes determina a cor do pixelEx.:
pixel com 3 bits (pixel depth = 3, ou bit planes = 3) permiterepresentar 8 cores distintaspixel depth = d => 2d cores distintas
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Cores RGB em 3 bits
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Sistema Grá�co Matricial (Raster)
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Frame Bu�er
Resolução: número de pixels
Implementado c/ memória VRAM/DRAMVideo random-access memoryDynamic random-access memoryAcesso rápido para re-exibição e restauro
f.b. pode armazenar outras informações além da cor do pixelmúltiplas camadas, ou múltiplos bu�ers
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Frame Bu�er
Profundidade do f.b. (depth):Número de bits p/ cada pixel, determina o número de coresque o sistema consegue exibir
1 bit = 2 cores; 8 bit-deep = 28 = 256 cores24 bit = 224 = sistema true color
Sistema RGB: grupos de bits associados a cada uma de 3 coresprimárias: Red, Green, Blue
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Frame Bu�er
Sistemas em geral têm processador grá�co dedicadoRecebem da aplicação especi�cações de primitivas grá�cas edeterminam como traça-las na tela
Quais pixels devem receber valores de maneira a aproximar asprimitivasProcesso de �rasterização�, ou conversão matricial
Sistemas so�sticados podem ter vários processadores dedicadospara funções grá�cas especí�cas
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Frame Bu�er
�Pixel Depth� = �Bit Planes� (profundidade)Depth = d→ 2d cores possíveis (reais)Palette Range: Número total de cores que podem sermostradas simultaneamente, se o valor do pixel for usadocomo índice para uma tabela de coresClut: Color Lookup Table2d �Palettes� possíveis
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Video Look-up Table
De�ne a paleta de coresNesse exemplo uma paleta contém 256 cores das 4096 possíveis
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Processador
O processador é responsável por transformar as primitivasgrá�cas (linhas, círculos, polígonos, etc.) em pixels no f.b.
Essa conversão é conhecida como rasterization ou scanconvertion
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Outras características dos monitores
O que diferencia os inúmeros modelos a venda?Tamanho, dot pitch, resolução, taxa de restauro
TamanhoEntre 12 e 27 polegadas (14, 15, 17, 20, 27,...), ou +Medida da diagonal da área da telaEm geral, tamanhos maiores implicam também em resoluçõese taxas de restauro maiores, eCustos maiores
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Outras características
ResoluçãoResoluções típicas: 1.280 x 1.024 (17 pol), 1.600 x 1.200 (20pol)Taxa de restauro (�refresh rate�)
Taxas típicas: > 75Hz (capaz de atualizar a imagem pelomenos 75 vezes por segundo)Taxas baixas causam o efeito de ��ickering�, ou cintilação:desconfortável e prejudicial aos olhosTaxa de restauro e resolução são relacionadas!
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Tempo de Restauro
Sistema hipotético simples1 acesso (à memória)/pixel, resolução 640 x 480, taxa derestauro 60 ciclos/s (60 Hz)tempo necessário para recuperar 1 pixel:
1/(640 ∗ 480 ∗ 60) = 54ns � sem considerar tempos dehorizontal retrace (≈ 7µs) e vertical retrace (≈ 1.250µs)
Dual ported video RAM ≈ 20ns (regular RAM de 50ns écomum)Em geral, recupera vários (p.ex., 16) pixels/cicloRestauro entrelaçado
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Dispositivos Matriciais: Características
Representação, manipulação e exibição da cena é feita a partirdo frame-bu�er
contém representação matricial discreta da cena
Gerar imagem a partir da descrição geométrica da cena requerum processo de conversão matricial
Scan conversionTransforma descrição geométrica em matriz de pixels
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A placa grá�ca
Hardware responsável por receber os comandos de desenho doprocessador, e controlar o monitor de vídeo
Drawing �front end� (drawing engine): recebe os comandosdo processador que de�nem que pixels estão sendo traçados, ecom que valor. Pixels são traçados �escrevendo� no bitmap(frame bu�er)Video �back-end� : responsável por interpretar os valorescontidos no bitmap, mapeando-os em suas respectivas cores egerando os sinais que controlam o monitor de vídeo de maneiraque as cores possam ser exibidas (isso é feito a cada restauro)
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Arquitetura de Dispositivo de Exibição Matricial
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Dispositivos Matriciais: Características
Possível discretizar (ou digitalizar) imagens obtidas porprocessos físicos (amostragem + quantização)Ambos os processos, conversão matricial e digitalização,resultam em imagens digitais que exibem o fenômeno dealiasing
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Aliasing
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Dispositivos Matriciais: Vantagens
Adequados para monitores coloridosCapacidade de integrar imagens digitalizadas e sintetizadasBaixo custoProcesso de restauração independe da complexidade da cena(rastreio �xo)Possibilidade de preenchimento de interiores com cores oupadrõesPermitem operações sobre blocos de pixels
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Dispositivos Matriciais: Desvantagens
Imagens digitais: gerar cena requer conversão matricial oudigitalizaçãoImagens digitais: exibem aliasingTransformações não são aplicáveis apenas transformando ospontos extremos dos objetos da cenaRequer muita memória e capacidade de processamento
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Imagem Vetorial x Imagem Matricial
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Outras Tecnologias de Exibição
Displays planosVolume, peso e consumo de energia reduzidosEspessura mínima e possibilidade de escrever na superfícieDuas categorias
Emissivos - convertem energia elétrica em luz: Painéis deplasma, displays �nos de �lmes eletroluminescentes, diodosemissores de luz...Não-Emissivos - usam efeitos óticos para converter luz naturalem padrões grá�cos: LCD - liquid crystal displays
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O que é Cristal Líquido
Moléculas de materiais sólidos mantém suas orientações eposições �xas em relação às outras moléculasMoléculas de materiais líquidos podem mudar suas orientaçõese se movimentarem livrementeMoléculas dos Cristais Líquidos podem se movimentar, mastendem a manter as suas orientações
Misturam características de sólidos e líquidos...Apesar de originalmente transparentes, a orientação dasmoléculas pode ser alterada por um campo elétrico, o que asfaz assumir diferentes tonalidades de acordo com a intensidadedo campo
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Propriedades que permitem a construção de um LCD
A luz pode ser polarizadaCristais líquidos podem transmitir e mudar a luz polarizadaA estrutura do cristal líquido pode ser mudada por correnteelétricaExistem substâncias transparentes que podem conduzireletricidade
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LCD não emissivo
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LCD não emissivo
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Tipos de LCD
Matriz PassivaPouca precisão, ângulo de visão restrito, baixo contrasteRestauro mais lento (em comparação ao CRT)
Matriz AtivaQualidade superior: precisão e velocidade de atualizaçãoTransistores de �lmes �nos posicionados em cada pixel: trêstransistores (no caso de LCDs coloridos) controlam a voltagemem cada pixel
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Vantagens LCD
Tamanho reduzidoIntrinsecamente digitalAplicações móveisTela plana elimina distorções e aumenta área útil
LCD de 15 pol. tem área útil equivalente a CRT de 17 pol.
Consomem menos energiaEmitem menor quantidade de radiação nociva
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Desvantagens LCD
Custo cada vez menosTempos de resposta mais lentosTrabalham em uma única resoluçãoSensível a variações de temperaturaÂngulo de visão limitado (450 a 600)
Qualidade percebida da imagem varia com o ângulo deobservação (quanto maior, pior)Problema tende a ser resolvido...
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Painéis de plasma
Monitores de descarga de gásDisplays de gás plasma: consistem de uma superfície planacoberta com milhões de minúsculas cápsulas de vidroCada cápsula contém uma substância gasosa (o plasma) euma capa de fósforoAs cápsulas são os pixels e cada uma é composta de 3sub-pixels que correspondem às cores RGBUma corrente elétrica, controlada digitalmente, �ui através datela plana, fazendo com que o plasma dentro das bolhasdesignadas emita raios ultravioletaEssa luz faz o fósforo brilhar na cor apropriada
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Vantagens da tecnologia a plasma
Telas produzem imagens muito nítidas, com cores vivas evibrantes, diversos níveis de tons de cinza
Exibem imagem brilhante e uniforme em ambientes comiluminação normal, com ângulo de visão de 1600 em todos oslados
Têm alta resolução e excelente capacidade para mostrarmovimentos suaves de vídeosNão distorcem a imagem, mesmo nas bordas e nos cantos datela Tela super �na (3 a 6.5"), ocupa muito pouco espaço,permite designs arrojados
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Dispositivos de Saída (Exibição)
Outros dispositivos de exibição
Impressoras - matricialPlotters - vetorialEstereoscópicos: visão 3D
Duas visões da cena, do olho esquerdo e do olho direito
Componente de ambientes de RVHead-mounted displays: visão 3D e rastreamento: imersão
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Dispositivos de Entrada
Sumário
1 Dispositivos de Saída (Exibição)
2 Dispositivos de Entrada
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Dispositivos de Entrada
Dispositivos de Entrada
TecladoMouseTrackball e SpaceballJoystickDigitalizador (tablet)Touch panelLight penData GloveVoz
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Dispositivos de Entrada
Data Glove
Permitem �pegar� um objeto virtualConjunto de sensores detectam os movimentos da mão e dosdedos, bem como posição e orientação da mão
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Dispositivos de Entrada
Scanners 3D
A partir dos pontos de entrada é reconstruído um modelo dasuperfície do objeto de�nido no espaço 3D
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Dispositivos de Entrada
Dispositivos de Entrada 3D
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Dispositivos de Entrada
Force Feedback em 3D
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Dispositivos de Entrada e Saída
Dispositivos de Entrada
Conversão de Coordenadas � mundo 2D e dispositivos
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Dispositivos de Entrada
Dispositivos Físicos
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Dispositivos de Entrada
Dispositivos Incrementais
Dispositivos como um tablet retornam diretamente umaposição para o sistema operacional
Dispositivos como mouse e trackball retornam valoresincrementais (ou velocidades) para o sistema operacional
Devem ser integrados para se obter a posição absoluta
Difícil de se obter uma posição absolutaPodem variar de sensibilidade
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