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Evolução Histórica da Computação Gráfica

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Olá e bem-vindo a palestra número 2 no curso Computer Graphics.
O conhecimento de evolução histórica é sempre benéfica para a compreensão mais ampla do assunto. Por isso, entraremos em um pouco detalhes da evolução seguida de uma discussão sobre as questões e desafios.
Nos primeiros dias em que o computador apenas começou a aparecer, isso significa que na década de 1940s, 50s do século passado, exibe-se um terminal, uma unidade terminal capaz de mostrar apenas personagens. Assim, em dias anteriores tivemos exibições que costumavam mostrar apenas caracteres, não havia facilidade ou nenhuma maneira de mostrar nada além de caracterss.Posteriormente, foi introduzida a capacidade de mostrar imagens complexas do 2D, ou seja, os desenvolvimentos posteriores. Agora, com o advento da tecnologia outras coisas mudaram. Temos agora maior memória, capacidade e aumento das velocidades do processador. Junto com essas mudanças, a tecnologia de exibição também melhorou significativamente, por isso tivemos 3 desenvolvimentos amplos, aprimoramento de capacidade de memória, aumento de velocidade do processador, além de melhoria na tecnologia de exibição.Agora, todos os 3 contribuíram em conjunto para exibir ou viabilir a exibição de complexas animações 3D que são computacionalmente intensivas e que assume que somos capazes de realizar os cálculos em tempo real. Como os computadores computacionalmente intensivos esses processos são, veremos na palestra subsequente. Na verdade, esse é o conteúdo principal deste course.Agora, se parecermos mais próximos da animação 3D, então veremos que há 2 aspectos, um é sintetizar de quadros e o segundo é combinar os quadros juntos e render-lhes de uma maneira tal que ele gera uma percepção de movimento ou gera os efeitos de movimento. Agora, a síntese de quadro bem como combiná-los e renderi-los na tela para gerar movimento são processos complexos e eles também são intensivos de recursos.
Eles exigem muitos recursos de hardware. Então, essas são as principais áreas de foco das atividades gráficas de computador atual, como fazer com que o computador esses processos trabalhem no ambiente de computação moderna. Agora, estamos repetidamente falando sobre o termo computação gráfica mas ele tem uma origem. Então, o termo foi cunhado pela primeira vez por William Fetter, da Boeing Corporation, em 1960. Isso é 60 anos atrás.
Posteriormente, Sylvan Chasen, da Lockheed Corporation, em 1981, propôs 4 fases da evolução do campo. Quais são essas fases? A fase foi de conceitos para o nascimento que é tipicamente considerada entre 1950 e 1963. Isso também é conhecido como gestacional

período. A segunda fase é a fase da infância de curta duração 64 70 no século passado, depois temos a adolescência, esta é novamente uma fase um pouco significativa e se estendem entre 1970s a fase inicial de 1980s e depois temos a fase adulta que ainda continua a partir do início dos anos 1980s.
Então, essas são as 4 fases que foi proposta por Sylvan Chasen em 1981, período gestacional, infância, período da adolescência e da idade adulta. Agora, vamos ter um olhar rápido sobre os principais desenvolvimentos que aconteceram em cada uma dessas fases ..
Comecemos pela primeira fase que é o período gestacional, entre 1950 e 1963, nas fases iniciais dos computadores. Agora, se você está ciente da evolução dos computadores nas fases iniciais, então você sabe que, essa fase o período gestacional também coincide com as fases iniciais de desenvolvimento da própria tecnologia de computação. Então, essa foi a fase em que a tecnologia evoluiu.
E hoje em dia, assumimos por garantido a disponibilidade de interfaces que são popularmente conhecidas como interfaces gráficas de usuário. Então, a gente chega a ver em todas as nossas telas de computador principalmente, se estamos usando desktop, laptops ou até mesmo smartphones. Mas, nessa fase, no período gestacional, o conceito de GUI não estava lá. Na verdade, ninguém tinha consciência sequer da possibilidade de tal interface, não podia ser imaginada mesmo. Agora nessa fase, havia um sistema desenvolvido que se chamava SAGE, que fica para o Semi automático, Ambiente de Solo Semi Automático. Agora, ela é desenvolvida por ou para benefício da Força Aérea americana, que faz parte de um projeto maior chamado de Whirlwind project que foi iniciado em 1945. Agora, o sistema SAGE é um exemplo precoce dessa fase do período gestacional demonstrando o uso de gráficos de computador.
O que esse sistema faz ou o que esse sistema fez, agora a ideia básica do projeto foi obter as informações posicionais de uma aeronave a partir de estações de rudder que é tipicamente a rede de radar de emprego. Agora há um operador que gosta deste operador aqui, que estava sentado na frente de uma tela, como se pode ver, mas não as telas tradicionais que estamos habituados mas versão antecipada de uma tela.
E neste airartesanato de tela são mostrados e na aeronave outros dados, os dados recebidos do radar foram sobrepostos. Então, essencialmente o que temos é que na tela, uma região geográfica é mostrada e nessa região as informações da aeronave são mostradas.
Havia mais um aspecto a mais do sistema. Então, na verdade estava em um sistema de sentido interativo, então o operador pode realmente interagir com o sistema com o uso de um dispositivo de entrada chamado de pistola de luz ou caneta, caneta leve. Agora, se houver uma aeronave mostrada na tela, o operador pode apontar a caneta para aquela aeronave para obter as informações de identificação da aeronave.
Assim, quando a arma foi apontada no símbolo do avião na tela um evento foi enviado para o sistema Whirlwind que por sua vez enviou os detalhes como texto sobre o avião ou sobre as informações de identificação do avião que foi então exibido na tela do operador. Algo assim. Como você pode ver que esta é uma pistola leve ou caneta de luz, o operador está apontando a caneta na tela onde é mostrado um símbolo de aeronave e uma vez que o apontador é feito, então o sistema envia uma mensagem para o sistema geral, Whirlwind system que tinha todas as informações, que é enviado de volta para a interface a ser visto pelo operador. Então como eu disse, o sistema SAGE que faz parte do sistema Whirlwind tinha traços de gráficos interativos, onde a interação foi feita com a pistola de luz ou as canetas de luz, mas ainda não era totalmente interativa a forma como entendemos a interação no contexto moderno. O verdadeiro potencial dos gráficos de computador interativo entrou em cena após o desenvolvimento de outro sistema chamado Sketchpad por Ivan Sutherland way back em 1963.
Então, esse sistema de Sketchpad fazia parte das teses de doutorado de Ivan Sutherland no MIT. E esse sistema realmente demonstrou a ideia assim como o potencial de um sistema gráfico interativo. Assim como o sistema SAGE em Sketchpad também, a interação foi feita através de caneta de luz e foi média para desenvolver desenhos de engenharia diretamente em uma tela CRT. Por isso, aqui o operador não precisa ser um provedor de entrada passiva em vez de entrada ativa pode ser dado na forma de criar desenhos em si na tela. Um exemplo é mostrado nesta figura como você pode ver, esta é a tela e na tela o operador está segurando caneta de luz para criar um desenho aqui.
Agora esse sistema de Sketchpad realmente contém muitos firmas. É amplamente considerado como o primeiro GUI, embora o termo GUI ainda não tenha sido popular naquele momento, também é creditado com pioneirismo vários conceitos de computação gráfica a saber como representar dados na memória, como lidar com linhas flexíveis, capacidade de dar zoom dentro e fora, desenhar linhas perfeitamente retas, cantos, articulações.
São coisas que hoje em dia nós tiramos por concedidas mas essas foram muito, muito difíceis na hora e o sketchpad realmente conseguiu demonstrar que estas são possíveis.
Assim sendo, a Sutherland é amplamente reconhecida por muitos como o avô de computação gráfica interativa. Agora junto com SAGE e Sketchpad, este período, o período gestacional também viu desenvolvimento de muitos outros sistemas influentes.
Durante este primeiro jogo de computador chamado Spaceware foi desenvolvido em 1961 em uma plataforma PDP-1 que é uma plataforma de computação antecipada. A IBM também desenvolveu o primeiro sistema CAD ou Computer Aided Design, relembra nossa palestra anterior estes sistemas são feitos para ajudar os engenheiros a criar desenhos mecânicos e testar várias coisas sem realmente exigir a construção do sistema. E, no período gestacional, a IBM surgiu com este primeiro sistema CAD em 1964 embora o trabalho tenha começado em 1959. Agora, o período gestacional foi seguido pelo período de infância, que é razoavelmente curto período de duração apenas de 6, 7 anos. Agora, neste período agora muito significativamente novas coisas acontecem apenas o que foi desenvolvido anteriormente no período gestacional, o desenvolvimento posterior ocorreu ao longo dessas linhas e a consolidação se deu das ideias anteriores.
Em seguida, veio o período adolescente, em sua maioria confinado à fase 1970s e inicial de 1980s.
Agora, nesta fase novamente, muitas coisas novas acontecem, em 1971 Intel lançou o primeiro microprocessador comercial chamado de 4004. Agora, como todos sabemos, com a vinda deste microprocessador, uma mudança de paradigma foi colocada na forma como os computadores foram projetados e que, por sua vez, impactaram o campo de computação gráfica de forma significativa, tornando as computações menos custosas e acessíveis. Como resultado, neste período várias coisas interessantes aconteceram, principalmente dois tipos de desenvolvimentos aconteceram, uma é técnicas para gráficos realistas de 3D e várias aplicações foram desenvolvidas durante esta fase particularmente nos campos de entretenimento e de cinema. Como resultado dessas aplicações, as pessoas começaram a perceber o potencial do campo e investiram cada vez mais tempo e dinheiro assim, tanto o desenvolvimento foi significativo no contexto de evolução geral do campo. Agora, quais foram as obras que foram feitas para geração de imagem realista e 3D? Um desenvolvimento importante foi o trabalho sobre os modelos de iluminação. Agora, esses modelos vamos aprender depois. O que esses modelos foram feitos para fazer, foram atribuir cores a pixels e essa coloração de pixels ou de menores unidades gráficas em uma tela é muito importante para nos dar uma percepção de imagens realistas como todos nós sabemos. E veremos em detalhes em palestras posteriores. Além disso, outra coisa ocorreu que é o desenvolvimento de técnicas de mapeamento de texturas, agora a textura é basicamente padrões que a gente consegue ver nas superfícies. Assim, se podemos impor texturas sobre nossas superfícies de objeto criado artificialmente, então definitivamente isso nos levará a uma representação de imagem mais realista e que o desenvolvimento ocorreu neste período de adolescência.
Então, o primeiro trabalho foi feito por Catmull em 1974. O primeiro trabalho notável, como você pode ver, que neste objeto algumas texturas são mostradas, por causa disso, somos capazes de fazer sair que ele é um objeto 3D e ele está tendo certas características. Por isso, sem textura, vai parecer maçante e não realista. Uma forma avançada de mapeamento de texturas foi feita através do mapeamento de Bump, por Blinn, em 1978. Como o exemplo mostrado aqui, nas superfícies de objetos, podemos ver que aquele tipo especial de textura foi incorporado, inserido para fazer com que ele pareça mais real, natural. Estes são chamados de bumps, mapeamento de Bump.
Também outro desenvolvimento ocorreu que é uma técnica avançada de criação de imagens 3D que se chama Ray Tracing e primeiro desenvolvimento notável aconteceu em 1980s no período da adolescência, usando esta técnica, podemos desenvolver imagens 3D realistas em uma tela de 2D, de uma maneira mais melhor do que usando as outras técnicas. Agora, essas são técnicas que foram desenvolvidas para melhorar a qualidade das imagens sintetizadas, para torná-las mais realistas, mais naturais.
Por isso, para recapitear, amplamente 4 abordagens foram se desenvolvendo nesta fase. Primeiro um está acendando trabalhos modernos e básicos sobre o modelo de iluminação seguido de modelo de textura e modelagem de bump, mapeamentos de bump e métodos de rastreio finalmente Ray. Fora isso, como mencionei anteriormente, outro fio de desenvolvimento que se deu durante esta fase foi o desenvolvimento de várias aplicações de computação gráfica, qualquer que fosse o estado da arte naquele momento baseado em que vários aplicativos foram desenvolvidos. Particularmente no entretenimento e na fabricação de filmes.
Por isso, em 1973 surgiu o primeiro filme chamado Westworld, que foi o primeiro filme a usar computação gráfica. Isso foi seguido em 1977 pelo filme Star Wars, acho que a maioria de vocês, se não todos, podem estar cientes desse filme. Então, o primeiro filme saiu em 1977 e ele se tornou imensamente popular em todo o mundo e como resultado, as pessoas aprenderam sobre o potencial dos gráficos de computador de uma forma mais convincente.
O período da adolescência foi seguido pelo período da idade adulta, a partir da fase inicial de 1980s. Agora, neste período, o campo entrou na fase adulta com o lançamento do IBM PC em 1981. Agora como todos sabemos, após o advento do PC ou computadores pessoais, os computadores tornaram-se um produto de massa, mais cedo costumava ser confinado a apenas algumas pessoas que eram bem educadas em estágio avançado de estudos e principalmente faz trabalhos de pesquisa ou desenvolvimento usando isso mas depois do advento do PC proliferou e se tornou um produto de massa. E, desde que havia se tornado um produto de massa, o foco agora mudou para o desenvolvimento de aplicações que estavam apelando para as massas.
E usando gráficos de computação gráfica de tais aplicações foram desenvolvidas e o foco deslocado de gráficos para especialistas para gráficos para leigos. E como resultado, chegamos a ver vários desenvolvimentos incluindo o desenvolvimento de GUIs e os conceitos associados. De fato, tantos desenvolvimentos ocorreram que deu origem a um novo campo de estudo, que se chama interação humano-computador ou HCI em suma.
Uma coisa aconteceu durante esta fase, surgiu um ciclo de desenvolvimento autossustentável, o que é isso? À medida que surgem cada vez mais sistemas amigáveis pelo usuário, eles criam mais e mais interesse entre as pessoas, por sua vez que traz novo entusiasmo e investimentos em sistemas inovadores. Então, é um ciclo de desenvolvimento autossustentável, cada vez mais aplicações estão aí que é apelativa para cada vez mais pessoas e as pessoas por sua vez querem cada vez mais, mais e mais investimento veio e ela continuou e ainda continua.
E, como resultado deste ciclo de desenvolvimento autossustentável, outros desenvolvimentos associados ocorreram. Assim, a partir da CPU, migramos para o GPU ou processamento gráfico, hardware dedicado para gráficos, a capacidade de armazenamento melhorou significativamente para ser capaz de armazenar e processar grande quantidade de dados necessários para gráficos realistas 3D. Então, agora estamos falando em termos de terabytes, petabytes, em vez de kilobytes ou megabytes que costumava ser o caso anteriormente.
Da mesma forma, a tecnologia de exibição tem visto enorme melhora desde os primeiros tubos de raios catódicos até o dia moderno touchscreen ou paredes situadas ou até melhores coisas. Então, tudo isso ocorreu por causa desse ciclo de desenvolvimento autossustentável.
Então, podemos dizer que esses desenvolvimentos tecnológicos trouxeram uma mudança de paradigma no campo e estamos agora em uma posição com a ajuda de nova tecnologia para desenvolver algoritmos para gerar gráficos 3D fotorealistas em tempo real. Então, todas essas coisas são importantes e isso formará o assunto principal da nossa discussão em palestras subsequentes. Agora, observe que todos estes são processo intensivo de computação e por causa do avanço em tecnologias, tal processo intensivo de computação tornou-se administrável, possível de implementar em tempo real.
E como somos capazes de fazer essas coisas agora então o apelo e a aplicação de computação gráfica aumentaram de forma crescente e eles presenças de todos esses fatores implica que o campo está crescendo e continuará a crescer no futuro previsível. Então, isso é em breve a evolução do campo, 4 fases começando com o período gestacional até a fase adulta e os principais desenvolvimentos que discutimos brevemente.
Agora, vamos deslocar o nosso foco para outro aspecto importante do campo que são as questões e desafios que confrontam os trabalhadores neste campo?
Agora, nos estágios formativos do campo, a preocupação primária era como todos nós conhecemos, geração de imagens 2D ou 2D cenas. Mas novamente como já falamos que posteriormente as gráficas alteradas e 2D não é mais a área de impulso e estamos focados principalmente em, hoje em dia estamos focados principalmente na geração de gráficos e animação 3D.
No contexto de gráficos e animação 3D, há 3 preocupações primárias relacionadas a software, desenvolvimento de software para o sistema. Uma é modelagem que significa, essencialmente, criar e representar a geometria de objetos no mundo 3d e aqui temos que ter em mente que não estamos falando apenas de objetos geométricos sólidos mas também alguns fenômenos como o belém do fumo, a chuva, o fogo, alguns fenômenos naturais fenômenos assim, como modelar tanto objetos como fenômenos, essa é uma preocupação.
Segunda preocupação está se tornando, essencialmente criando e exibindo imagem 2D dos objetos 3D, por que a imagem 2D? Porque a nossa tela é 2D então temos que converter os objetos 3D em um formulário 2D. Então, então essa renderização lida com questões relacionadas à exibição dos objetos modelados na tela e há algumas outras questões relacionadas envolvidas a saber: cor, coloração dos pixels na tela, cor e iluminação que envolve simular o processo óptico.
Em seguida, determinismo de superfície visível com relação à posição do espectador, padrões texturizados nas superfícies ou síntese de textura para imitar o realismo, 3D à transformação 2D e assim por diante. Então, essas são as questões que estão lá na renderização. Então a terceira questão, terceira grande questão relacionada ao software gráfico é a animação, descrevendo como a imagem muda ao longo do tempo então, o que ela lida? Trata-se de transmitir movimento sobre os objetos para simular movimento, portanto, dê-nos uma percepção de movimento. Em seguida, as principais preocupações aqui são modelagem de movimento e interação entre objetos durante o movimento. Por isso, as 3 principais questões relacionadas ao software são modelagem de objetos, renderização de objetos e criação de animação. Agora, há algumas questões relacionadas ao hardware também.
Por que aqueles são importantes, porque qualidade e custo da tecnologia de exibição é de preocupação importante, pois sempre há um tradeamento entre os dois, qualidade do hardware assim como o custo, portanto não podemos obter alta qualidade em baixo custo e vice-versa.
E enquanto constrói um aplicativo de sistema gráfico, precisamos ter em mente esse tradeado. Junto com isso, precisamos manter em mente a seleção de dispositivo de interação apropriado porque hoje em dia estamos falando de gráficos de computador interativos. Assim, o componente de interação é importante e é importante escolher um modo adequado de interação ou dispositivo de entrada tal que a interação pareça intuitiva para o usuário. O usuário não deve ser forçado a aprender padrões complexos ou operações complexas, deve ser o mais natural possível.
Por fim, o design de dispositivos gráficos especializados para acelerar o processo de renderização também é de extrema importância. Como os algoritmos gráficos são intensivos de computação e se podemos ter hardware dedicado para executar esses cálculos, então podemos esperar um melhor desempenho. Agora, a questão é como projetar tais hardwares a um custo acessível e que é de preocupação primária relacionada a plataformas de hardware para computação gráfica.
Então, a partir do ponto de vista hardware, temos essa qualidade do hardware assim como o custo tradeado para ter em mente também, temos que ter em mente o tipo de dispositivo de entrada que estamos usando assim como os sistemas gráficos dedicados que podemos pagar.