Fundamentos de Computação Gráfica e Realidade Virtual

O que é Computação Gráfica?

Um conjunto de ferramentas e técnicas para converter dados para ou de um dispositivo gráfico através do computador. A computação gráfica é matemática e arte; é uma ferramenta de concepção de arte. A relação entre luz, tempo e movimento constitui a base desta que poderia ser classificada como uma arte tecnológica.

Áreas Relacionadas

• Síntese de Imagens: Visualização científica ou computacional.
• Processamento de Imagens: Melhoria e transformação.
• Análise de Imagens: Obtenção de características.

Síntese de Imagens

Técnicas destinadas à criação e manipulação de imagens artificiais a partir de modelos matemáticos e geométricos.

Exemplos:

• Criação de imagens abstratas;
• Visualização de modelos matemáticos;
• Geração de gráficos matemáticos e artísticos;
• Edição de desenhos e simulação.

Processamento de Imagens

Envolve técnicas de transformação de imagens visando melhorar a qualidade da imagem (foco, ruído, contraste). Utiliza técnicas de análise e síntese para manipular imagens obtidas do mundo real.

Exemplos:

• Retoques de fotografias;
• Montagens de efeitos especiais;
• Processamento de imagens de satélites e aeronaves.

Análise de Imagens

Considera as imagens digitais e as analisa para obtenção de características desejadas.

Exemplos:

• Especificação dos componentes de uma imagem a partir de sua representação visual;
• Produz uma informação não pictórica da imagem a partir da própria imagem (Ex.: as primitivas geométricas que compõem a imagem).

Classificação

• Computação Gráfica Passiva: Computador usado para definir, armazenar, manipular e apresentar imagens gráficas. O observador/usuário não interfere nesse processo.
• Computação Gráfica Interativa: Computador usado para preparar e apresentar imagens. O observador/usuário pode interagir em tempo real com a imagem.

Mercado de Atuação

• Arte: Efeitos especiais, modelagens criativas, esculturas e pinturas.
• Medicina: Exames, diagnósticos, estudo, planejamento de procedimentos.
• Arquitetura: Perspectivas, projetos de interiores e paisagismo.
• Engenharia: Todas as áreas.
• Geografia: Cartografia, GIS, georreferenciamento, previsão de colheitas.
• Meteorologia: Previsão do tempo, reconhecimento de poluição.
• Astronomia: Tratamento de imagens, modelagem de superfícies.
• Marketing: Efeitos especiais, tratamento de imagens, projetos de criação.
• Segurança: Treinamento, reconhecimento.
• Indústria: Treinamento, controle de qualidade, projetos.
• Turismo: Visitas virtuais, mapas, divulgação.
• Moda: Estamparias, criação e modelagens.
• Lazer: Jogos, efeitos em filmes, desenhos animados.
• Processamento de Dados: Interface, projeto de sistemas, mineração de dados.
• Psicologia: Terapias, reabilitação.
• Educação: Aprendizado, desenvolvimento motor.

Percepção Tridimensional

Entender como percebemos a profundidade em imagens bidimensionais é importante para evitar erros na confecção da imagem e interagir melhor com objetos em ambientes virtuais.

Percepção da espacialidade: É a capacidade do ser humano de distinguir a forma, as cores, a textura e a relação espacial entre os objetos.

Categorias dos Estímulos Visuais

Informações monoculares, óculo-motoras e estereoscópicas.

Informações Visuais Monoculares

• Perspectiva: Aparente diminuição dos tamanhos e das distâncias entre os objetos à medida que o observador se distancia deles. Recurso usado para expressar cenas tridimensionais em superfícies planas.
• Conhecimento Prévio do Objeto: Determina a distância absoluta e relativa. Quando há noção dos tamanhos reais, é possível determinar qual objeto está mais próximo.
• Oclusão: Obstrução da visão de um objeto por outro mais próximo. Também chamado de interposição ou interrupção de contorno.
• Densidade das Texturas: Padrões mais densos e menos detalhados indicam maior distância. Auxiliam na percepção do movimento.
• Variação da Reflexão de Luz: Fornece informações sobre a forma e a curvatura da superfície.
• Sombras e Sombreamento: Útil na determinação da posição de um objeto em relação ao piso.

Informações Visuais Óculo-Motoras

• Convergência: Obtém informações sobre a posição e distância através do ângulo do giro dos olhos. Objetos distantes possuem ângulo grande; objetos próximos, ângulo pequeno.

Informações Visuais Estereoscópicas

Como os olhos estão em lugares diferentes, cada um vê uma imagem distinta, fenômeno chamado de disparidade binocular. O cérebro processa essa diferença para obter a distância relativa e a noção de profundidade (útil para objetos até 10 metros).

Realidade Virtual e Aumentada

Realidade Virtual (RV)

Interface avançada que permite ao usuário a movimentação e interação em tempo real em um ambiente tridimensional, usando dispositivos multissensoriais.

• RV Imersiva: O usuário é transportado para o domínio da aplicação, provocando sensação de presença.
• RV Não Imersiva: O usuário é transportado parcialmente, mas continua a sentir-se predominantemente no mundo real. É mais popular por ser mais barata.

Dispositivos de Realidade Virtual

Dispositivos de Entrada

• Interação: Permitem movimentação e manipulação de objetos.
• Rastreamento: Monitoram movimentos do corpo para criar sensação de presença.

Dispositivos de Saída

• Visuais: Exploram a visão e o nível de imersão.
• Auditivos: Simulam o modelo humano de audição.
• Físicos: Estimulam tato, tensão muscular e temperatura.

Aplicações da Realidade Virtual

• Indústria: Protótipos e simulação de processos.
• Medicina: Ensino de anatomia e simulação cirúrgica.
• Arquitetura: Decoração e planejamento de obra.
• Entretenimento: Jogos e turismo virtual.
• Educação: Bibliotecas virtuais.

Realidade Misturada e Aumentada

A Realidade Misturada é a sobreposição de objetos virtuais 3D com o ambiente físico em tempo real. A meta é a integração total entre elementos reais e virtuais.

• Realidade Aumentada (RA): Ocorre quando objetos virtuais são colocados no mundo real (predominância do real).
• Virtualidade Aumentada: Ocorre quando elementos reais são inseridos no mundo virtual (predominância do virtual).

Sistema de Cores

A cor possui a ação tríplice de impressionar, expressar e construir. Em computação gráfica, melhora a legibilidade, gera realismo, foca a atenção e passa emoções.

Colorimetria: Técnicas para definir e comparar cores baseadas em intensidade, tonalidade e saturação. O olho humano percebe entre 400 e 700 nm.

• Sistema Aditivo (RGB): Usado em monitores. O preto é a ausência de cor e o branco é a mistura de todas. Cores: Vermelho, Verde e Azul.
• Sistema Subtrativo (CMY): Usado em impressoras. O branco é a ausência de cor e o preto é a presença de todas. Cores: Ciano, Magenta e Amarelo.

Sistemas de Coordenadas e Referência

Dão referência sobre o tamanho e posição dos objetos.

• Polares: Raio e ângulo.
• Esféricas: Raio e dois ângulos.
• Cilíndricas: Raio, ângulo e comprimento.
• Cartesianas Bidimensionais (2D): Comprimento e largura. (Em monitores, o eixo Y cresce no sentido contrário).
• Cartesianas Tridimensionais (3D): Comprimento, largura e profundidade.

Sistemas de Referência

• SRU (Universo): Coordenadas do usuário conforme a aplicação.
• SRO (Objeto): Trata o objeto como um miniuniverso individual.
• SRN (Normalizado): Valores entre 0 e 1; independente de dispositivo.
• SRD (Dispositivo): Coordenadas diretas para o hardware de saída (ex: pixels).

Mapeamento: Transformações entre esses sistemas de coordenadas.