Introduzione alla Grafica Digitale
HW:
dispositivi di visualizzazione
di immagini
Introduzione alla Grafica Digitale
dispositivi di visualizzazione di immagini posso classificarli
1) immagini "temporanee",
generate velocemente,
in situazioni interattive;
es. tipico: schermo
2) immagini "persistenti "
generate lentamente (o anche non)
es. tipico: plotter
Introduzione alla Grafica Digitale
HW:
dispositivi di visualizzazione di
immagini "temporanee", generate velocemente,
in situazioni interattive:
CRT (CathodeRayTubes),
LCD (Liquid Crystal Displays),
Plasma Displays etc
ancora nel 2005 la qualita' di immagine (colori!) dei CRT e'
migliore delle immagini prodotte dai LCD e Plasma
Introduzione alla Grafica Digitale
dispositivi di visualizzazione di immagini:
immagini "persistenti " generate lentamente:
Stampanti (Printers) :
meccaniche a percussione (martelletti, aghi: dot-matrix..)
laser,
ink-jet, film,
stampanti off-set da tipografia,
ecc;
Plotters (con penna scrivente), varie tecnologie...
da inizio anni 60
Introduzione alla Grafica Digitale
qualche dettaglio dei dispositivi di visualizzazione di
immagini di tipo "schermo"
CRT (CathodeRayTubes),
LCD (Liquid Crystal Displays),
Plasma Displays
HW
alcune caratteristiche da notare per gli schermi "in genere":
Risoluzione: 160x160 (WebCam,Cellulari) ->
640x480 (VGA, TV NTSC USA)
1200x800 (Schermo tipico di un portatile)
3840x2400 (Schermo ad altissima precisione)
e oltre, ma con schermo a piu'monitor
Refresh rates: 12Hz -> 120Hz
Interlaced vs. Progressive
Stereo (immagini 3D)
Field-Sequential vs. Polarized
Decay Rate (animation, stereo) on both CRTs and LCDs
Pixel Size
DPI vs. mm/pixel (densita' o precisione o grana del raster)
Colore RGB, CYMK, altri modelli
consumo di energia (10W - 400W)
Un'importante distinzione:
*** come viene formata un'immagine:
Vector Graphics o grafica vettoriale
Vector (calligraphic) CRTs, (1950)
pen-based plotters (1959, CalComp)
elemento base: un tratto di linea, come
tracciabile da una penna scrivente (plotter)
Raster Scan o grafica a reticolo
Display grafici (da display alfanumerici)
elemento base: un punto dello schermo,
o pixel (picture element) (1950)
Vector Graphics
Vector (calligraphic) CRTs, (1950)
pen-based plotters (1959) (*)
elemento base: un tratto di linea, come
tracciabile da una penna scrivente;
visualizzazione: il programma di costruzione del disegno
produce i comandi per la macchina che poi fa il disegno;
molto spesso i comandi non passano direttamente alla
periferica, ma sono registrati in un "display file",
il display file NON e' il disegno, ma e' un insieme di tutti i
comandi necessari per tracciare il disegno [[ad es. un
pezzo di un motore diesel per navi, fatto (preparato) da un
programma di CAD]], quindi tutta la sequenza di tratti di
linea, punti, specifiche di attributi ecc
----------
(*) nel 1965 c'e' gia' una manifestazione di "computer art"
Vector Graphics
Vector ("calligraphic") tubi CRT, (1950)
pen-based plotters (1959) (*)
visualizzazione: viene usato il "display file", insieme di tutti
i comandi necessari per tracciare il disegno, preparato dal
programma dove e' specificato il disegno;
il display file viene poi interpretato (eseguito) dal
processore grafico (dal work-station client o dal plotter)
che (ri-)traccia tutto il disegno in un tempo piu' o meno
breve (da 1 min a 6 ore); plotter e schermo grafico sanno
disegnare un tratto di linea, { P1(x1,y1) ---> P2(x2,y2) },
cioe' un vettore P1->P2 - da cui il nome grafica vettoriale
il display file sono i comandi per fare il disegno,
non e' ancora l'immagine (il disegno) !!
Il termine Computer Graphics risale al 1960,
di W.E.Fetter della Boeing in Renton, Wash., USA, per
descrivere una presentazione di un progetto di una parte di
aereo...
La progettazione interattiva risale al 1960-1962, di Ivan
Sutherland, MIT, lavoro di Phd: "Sketchpad", dove l'utente
poteva disegnare sullo schermo con una penna luminosa:
il sistema usato aveva:
65k celle di memoria (nuclei ferrite),
due tubi a raster 1024 x 1024,
un plotter meccanico con penna scrivente
(programmazione assembly, fortran, algol)
( l'articolo si trova in rete,
http://www.cl.cam.ac.uk/TechReports/UCAM-CL-TR-574.pdf )
tecnologia 1960: "penna luminosa" = dispositivo di ingresso
dati, in parte corridpondente ad un mouse di oggi;
plotter o macchina per disegnare, con penna scrivente
montata su carrello mobile (motori passo-passo)
un es. di "disegno tecnico", realizzato con SketchPad (1962)
un es. di "disegno tecnico", realizzato con SketchPad (1962)
Raster Scan
Display grafici (evoluti dai display alfanumerici)
>>>> elemento base:
un punto dello schermo, pixel (picture element)
oggi (2005..) la precisione dei sistemi raster e'
paragonabile ai sistemi vettoriali, (1600x1000)
e un calcolatore portatile o da tavolo puo'
svolgere le funzioni di una work-station grafica a
costo sensibilmente minore.
vediamo un cenno sui sistemi a raster
osservazione importante:
l'immagine ottenuta con lo schermo a reticolo di pixel
e' formata di elementi discreti, pixel, e NON di elementi
geometrici astratti come "punti", "linee", "figure geometriche
del piano", che sono astrazioni matematiche;
la figura sullo schermo e' formata da un reticolo di punti,
il cui numero varia a seconda delle dimensioni e della
precisione dello schermo
dimensioni: da 9 pollici
(e meno, vedi cellulari con schermi da 5" o meno)
a 40 pollici ( LCD, schermi a plasma, ...
e, ovviamente, si va oltre con un proiettore ... )
precisione: da 72 punti per pollice a 200 punti e piu'
(schermo) ...
a 400 punti, 700 punti (laser) e piu' (4000) (stampa, foto)
dimensioni:
da 9 pollici
(e meno, vedi cellulari con schermi da 5" o meno)
a 40 pollici ( LCD, schermi a plasma, ...
e oltre ;-) ovviamente: con un proiettore ... )
precisione:
da 72 punti per pollice (e meno)
a 200 punti e piu' (schermo) ...
a 700 punti e piu'
fino 4000 punti per pollice stampa e foto
quindi il numero di byte
richiesti
per codificare un' immagine varia molto:
da meno di 300k (una webcam da ufficio)
- es. 36 dpi con 5" -> 180x135=24300 pixel
a piu' di 20 M pixel (stampa offset di qualita', diapositiva..)
- es. 4000 dpi con 24x36mm = 4252 x 5670 = 24 M pixel
nota:
se cresce la dimensione dell'immagine in numero pixel
** cresce la esigenza di banda passante ovvero
numero di byte al secondo:
numero pixel * nr.o immagini al secondo
da trasmettere dal computer allo schermo:
** webcam 160x100x10 = 160 000 byte/sec
** VGA 640 x 480 x 50 byte / sec = 15 360 000 byte/sec
** QUXGA 3840 x 2400 x 3 x 48 = 9216000 x 3 x 48
442 368 000*3 = 1 327 104 000 byte/sec =
1 G byte al secondo !!
(IBM 2002, Toshiba 2007, ...)
nota che ISDN e' 50k .. 100k, ethernet arriva a 100M ...
inizio 2008 sono definiti degli standard "HXGA" ecc,
dove H sta per "hexadectuple"
ovvero 16 volte XGA;
inoltre vari altri standard precedenti;
le dimensioni partono da 4096x3072 in avanti,
ma al momento si realizzano solo con monitor multipli
Come si passa
dal "frame buffer" o memoria dove sono codificati i pixel dell'immagine
alla superficie dello schermo "display surface"
un processore specializzato "copia" continuamente (refresh rate) l'immagine
dalla memoria grafica o frame buffer sullo schermo, utilizzando un po' di hw:
QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressor
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[[ un po' di storia : ZX81 (Sinclair, 1981, secondo tentativo, dopo il ZX80)
utilizzava la stessa cpu (un Z80) a cicli alterni
sia per l'elaborazione dati
sia per la generazione dell'immagine (circa 200x250),
costava poco (50 sterline, al tempo 500.000 lire,
al DEEI l'aveva preso il prof. Sipala), una paga media
era 1.300.000 ... un Apple II costava in Italia 3.000.000)
la tastiera era piatta, (di carta) a sensori,
unita' centrale 3.25 MHz Zilog Z80A CPU
8K ROM, 1K RAM externally expandable to 64K (56K usable)
Display: 24 lines x 32 character text display
Monochrome only
Sound: None
I/O: Z80 bus, 250 baud cassette interface, UHF television out
Storage: External cassette recorder
stampantina a 1 (uno) ago, ZX Printer for only 49.95 pounds,
full alphanumerics and highly sophisticated graphics. COPY prints
out exactly what is on the TV screen; speed is 50 characters per
second, 32 characters per line and 9 lines per vertical inch. ]]
da un articolo del 1975 di Duane M.Palyka
(uno dei pionieri della computer art)
a major problem with achieving access to a flexible
computer graphics medium is the initial cost of setting it
up: $50.000 for a computer (midi workstation), $80.000 for
a frame buffer, $5.000 for a tablet, and $5.000 for a color
TV monitor: this means that none but the wealthiest artist
can afford his own electronic paint-and-brushes. In five
years the cost of this equipment should be within the range
of an art department budget. (In fact, 1980: a personal con
z80 + matrox graphic card costed 10x less)
si tenga presente che si applica un fattore di rivalutazione
di almeno 10 per avere il valore in dollari di oggi ...
Passaggio di un Pixel dal frame buffer allo schermo
Altre considerazioni:
* Profondita' o numero piani dell'immagine, ovvero numero bit per pixel
Depth - bits per pixel: schermo in B/N un bit/pixel,
* RGB, RGBA (4, 6, 8, 12 bits/color/pixel), in piu' Alpha (trasparenza)
* z-buffer (3D depth)
* overlay buffer planes
* accumulation buffers for antialiasing, motion blur, ...
* double buffering for animation (due memorie immagine, mentre scrivo in
una ovvero costruisco l'immagine l'altra viene mostrata sullo schermo)
* quadruple buffering for stereo image (imm.stereoscopica per effetto 3D)
* CLUT o Color Look-Up table, molto usato negli anni 80 (VGA)
per risparmiare memoria grafica, vedremo
(less VRAM, gamma correction, per-window or per-display)
* video bus (separato)
* dual-port RAM, VESA, NuBus, PCI, AGP, UMA (SGI), crossbar
* bandwidth,
* cost
per monitor a colori il passaggio da frame buffer a schermo richiede
piu' dati, piu' memoria, piu' banda passante, piu' componenti:
qui un esempio di sistema con 6 bit per pixel, a cui si aggiunge una
CLUT (figura in seguito)
QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressor
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Codifica colore con la tavolozza di colori o color palette:
( Indexed Color and the Color Lookup Table (CLUT or LUT) )
schema di codifica del colore:
sono presenti contemporaneamente solo 256 colori sullo schermo
allora bastano 8 bit per pixel: al pixel si associa un codice di colore che
e' un indice di posizione nella tavolozza di colori (es. 256 colori),
ogni colore e' codificato con 3x8
bit, 8 bit per colore (256 livelli di
intensita', da nero a bianco),
quindi ogni elemento della CLUT
ha 3 byte; per avere il colore di
un pixel c'e' il passaggio
attraverso la CLUT, qui in figura
a fianco per una CLUT di 64
colori (6 bit / pixel);
oggi la memoria costa sempre
meno, e le CLUT sono ormai
scomparse (Apple2 aveva 4
bit/pixel, l'Amiga aveva 5 bit, la
VGA 8 bit)
per avere un'idea del fatto che 256 colori non sono
tanto limitativi,
segue un'immagine
con appunto 256 colori
("UE" o "sopra",
realizzato su Apple Quadra 68000
in CW MW Pascal, (software mio)
su Apple Mac OS9, dec.2001)
424.p173 "ue" immagine 2D a 256 colori
la slide successiva riporta da rete la presentazione
di uno schermo grafico di alto livello dell'IBM,
di costo notevolmente superiore ad uno schermo
standard corrente
(anno 2004 (!) ):
IBM T221 Single 22 LCD panel
3840x2400 = 9.2 million pixels (204 DPI)
Single PC Linux Windows Support
400:1 high-contrast, 170viewing angle
TFT LCD, 24-bit color support,
firmw. programmable for color match. sys.
48Hz screen update rate
compatible OpenGL 3D,
modes: QUXGA-W, UXGA,
SXGA, XGA, SVGA, VGA
graphics adapters:
NVIDIA Quadro4 980 XGL,
NIVIDA Quadro FX 1000, ...
NVIDIA Quadro FX 4000.
seguono due immagini
di un altro dispositivo grafico
"IDTech"
about 10 year ago: LCD display VGA (640 x 480 pixels)
2004: most popular resolution of LCD displays :
XGA (1024 x 768 pixels)
SXGA (1280 x 1024 pixels)
UXGA (1600 x 1200 pixels)
IDTech 9.2 million-pixel LCD display, highest-grade LCD display
designed with 204 pixels per inch (ppi) density, a ppi that is nearly
impossible to recognize with the human eye.
I22.2-inch size (diagonal)
16:10 aspect ratio
resolution in range of VGA (640x 480 pixels) to
QUXGA wide (3,840 x 2,400 pixels)
This LCD display can display data/information equivalent to two
A4 size papers on one screen.
ID Tech - Technical Information of 9.2 Million-Pixel, 22.2-Inch
LCD Monitor
Screen Format QUXGA wide
Screen Size 22.2 inches (56.4 cm) Wide,
Pixels Number 3840 x 2400 (9.216 MPixels)
Display Area 478.1 cm x 298.8 cm
Resolution 204 ppi (pixel pitch 0.1245 mm)
16.70 M Colors (10 bit/color)
Brightness 235 cd/m2 Contrast 400:1
Viewing Angle Hor/Ver +- 85 Degree
Dimension 547 mm x 437 mm x 196 mm
Weight 11.4 kg (Base Unit)
The white color temperature of 6,500K, 5,000K is also offered.
Refresh rate: 41Hz or 48Hz
Allowable input refresh rate depends on screen resolution and
maximum rate is 85Hz.
Model Name Internal Refresh Rate
this monitor has a color management function to provide 10 bits color
accuracy for each Red, Green, Blue (RGB) color
proiettore BARCO D-Cine Premiere DP100:
Native Resolution - 2048 x 1080 per Red, Green and
Blue channel. Equivalent to 6.6 million pixels.
Color Processing - Bit depth: 45 bit (15 bit per color) Color Shades: 35 trillion Optical Lamp - Accepts 2k to 7k Xenon arc lamp sizes Power Requirement - 3 x 400V + N or 3 x 220V versions
available
Dimensions- Projector Head: 620 (H) x 768 (W) x 1120
(D) mm
Weight- Projector Head: approx 95kg (210lb) Projector head and Pedestal: approx 150 kg (332lb)
The IndianaUniv AdvancedVisualLab's
Rendering Cluster (wall) (2004)
1 Master PC◦ 6 Graphics Server PC's
1.4 to 1.7 Ghz AMD Processors
512MB RAM per PC
64MB GeForce3 Video Cards
Dual Boot OS - Windows2000 and RedHat Linux
Gigabit Ethernet
see next slide
QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressor
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2005/02/14, da rete: display al plasma, 42x42, 5000$, Hitachi
1024 x 1024 viewable, 16:9 aspect ratio,
1000:1 Contrast Ratio 1000 CDM BrightnessDiscrete
Monitor ID FunctionFilter Function to Reduce Flickering
Input:
RGB 1, RGB 2 : Accepts Analog (PC) &
Component Video(DVD, Sattelite Receiver, HDTV)
Inputs/Outputs InputVideo 1 (Composite)Video 2
(Component) Connectors : RCA pin ( L/R ) x 2 (Video1,2 )
Connectors : 3.5mm stereo mini jack x 2 (RGB1,2 ) Video
1 ( composite video ) only, Level / impedance : 1.0Vp-p /
75ohm Connector: RCA x 1
Power Supply AC 100-120/200-400V Frequency 50/60Hz
Power Consumption 350W (without sound)
(Standby Power Consumption 2.5W)
Introduzione alla Grafica Digitale
2005/02/14, da rete: display al plasma, 42x42, 5000$, Hitachi
Number of Pixels 1024 (Horizontal) x 1024 (Vertical)
Pixel Pitch 0.90 (Horizontal) x 0.51 (Vertical) mm
Number of Colors 16.7 million colors (256 Gray level)
Brightness 1000 cd/m2 at panel before filter Viewing Angle
Display Viewable Size (inches) 42
Resolution1024 x 1024 Horiz Viewing Angle (degrees)160
Contrast Ratio 1000:1 Brightness/Luminance (cd/m2)100
Physical Attributes
Weight (lbs)68 <<< !! circa 35 kg
Width (inch) 40.55 Height (inch)25.5
Warranty1 year Labor Warranty1 year
Depth (inch)3.5
un po' di reclame della Dell: (*)
LCD Displays. A 15-inch extended graphics array (XGA)
panel has a pixel density of 85 ppi; an ultra XGA (UXGA)
panel, 133 ppi. For the purposes of this paper, a high-density
LCD is defined as an LCD with a minimum pixel density of
117 ppi. This is the density required to display super XGA+
(SXGA+) resolution on a 15-inch screen.PPI is directly related
to "pixel pitch" (or "dot pitch"), which is the size in millimeters
(mm) of each screen pixel. An LCD is composed of a grid of
pixels, each composed of a red, green, and blue (RGB)
component. The pixel pitch is the distance in mm between a
red (or green or blue) component and the next closest red (or
green or blue) component. Table 1 shows the ppi and, thus,
pixel pitches required to display resolutions currently
available on Dell LCD panels ranging from 12.1 to 15.4
inches. (may 2003)
(*) (mr. Dell is a G.Bush supporter)
Introduzione alla Grafica Digitale
LCD Displays.
Table 1: Examples of Portable Displays Formats :
VGA (640 x 480)
15 inches 72 ppi,
XGA (1024 x 768)
12 inches 106 ppi, 15 inches 85 ppi
Wide XGA (WXGA)- 1280 x 720
15 " 98 ppi
SXGA+ (1400 x 1050)
15 " 117 ppi
Wide SXGA+ (WSXGA+) - 1680 x 1050 15.4 " 129 ppi
UXGA (1600 x 1200)
15" 133 ppi
Wide UXGA (WUXGA)- 1920 x 1200
15.4 " 147 ppi
QUXGA wide (3,840 x 2,400 pixels)
Introduzione alla Grafica Digitale
(*) Advantages of High-Resolution LCDs
Current high-resolution LCDs available on Dell notebook
computers can display resolutions as high as 1600 x 1200 on
a 14.1- or 15-inch screen and 1920 x 1200 on a 15.4-inch
screen.
These higher resolutions result in the sharp, clear, and photolike screen images required for applications such as digital
imaging, multimedia presentations, and mapping programs.
They also allow more digital information to be displayed on
the screen.
For example, a UXGA panel can display 96 percent of the
digital detail in a photo taken with a 2-megapixel digital
camera at its highest quality setting.
(*) un po' di reclame della Dell ;-)
Introduzione alla Grafica Digitale
Dell notebook LCD displays:
Figure 1. Comparison of 2-Megapixel Digital Photo
Displayed on XGA, SXGA+, and UXGA Panels
QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressor
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HARD COPY:
printers
dot matrix printers,
ink-jet printers
laser printers b/n, colori
macchine per tipografia
plotters
da tavolo (A4)
da parete (fino a A0, ad es. per cartografia)
da parete, per cartelloni pubblicitari
(2-4 metri x 4-10 metri)
600AeX Plotter Specifications
Description: Ultra-Wide format, front loaded, space
saving, roll feed plotter
Throughput: Up to 90 m/hr (98y/hr)
Media Width: From 1.11 meter to 2.2 meter Rolls
Media Take-up Up to 91 meters (100 yards)
Pens: Any pen with a barrel size between 3/8 (.95cm) and
7/8 (2.22cm) including HP-style plotting pens, Bic style
balltip pens, pressurized long-life ball tip pens, fiber tip,
felt markers
Buffer Size 1 Megabyte
Interface RS-232C serial port
Languages DMPL, HPGL: HP-7475 &HP-7596
Power: 90 to 264 Vac@ 47 to 66 hz, 160 Watts
Front Control: Speed, pen force and roll/unroll control
Quic kT i me™ and a
T IFF (Unc ompres s ed) dec ompres s or
are needed t o s ee thi s pi c ture.
Laser B/W e Color Printers:
da 88$ a 6000 $ e oltre,
con precisione 1100 dpi,
velocita' di stampa fino 50 ppm
...
da aggiornare ...
solo un elenco dei
sistemi di
ingresso di dati grafici:
keyboard,
mouse,
button boxes,
dials,
digitizers,
scanners,
3D input,
...
da completare ...