Como o objetivo da Computação Gráfica é gerar e manipular imagens é essencial que os dispositivos periféricos ligados ao computador sejam capazes de lidar (ler/escrever) com dados em forma gráfica. Muito dos avanços e técnicas desenvolvidos em Computação Gráfica, até hoje, tem uma estreita relação o aprimoramento destes dispositivos. Isto se deve ao fato de que o objetivo é sempre produzir a melhor imagem dentro das possibilidades do equipamento disponível.

Histórico

Os computadores de primeira e segunda geração dispunham apenas de impressoras de caracteres como dispositivo de saída.

Utilizando técnicas antigas de pontilismo e meios tons (Half-tone), os primeiros aficionados da Computação Gráfica conseguiam reproduzir nas impressoras imagens de qualidade prática discutível.

Durante os anos 50 e 60, quando se acelerou o desenvolvimento de tecnologias de Computação Gráfica os engenheiros que projetaram as primeiras configurações de sistemas gráficos defrontaram-se com um novo conceito em visualização: em vez de caracteres, passou a ser necessário administrar os pontos individuais da tela ou PIXELS (Picture Element).

Classificação dos dispositivos periféricos gráficos

Os dispositivos gráficos podem ser classificados, entre outras, segundo 2 visões:

• quanto à finalidade:dispositivo de entrada ou de saída
• quanto ao formato dos dados:dispositivos matriciais ou vetoriais.

 Para dispositivos de entrada o termo matricial define uma classe de dispositivos em que os dados(pontos) são colhidos em conjunto e armazenados em forma de matrizes. Por outro lado dispositivos vetoriais de entrada denotam equipamentos através dos quais se pode colher dados(pontos) de forma isolada.

Para dispositivos de saída, por sua vez, o termo matricial designa dispositivos cuja geração de imagens dá-se pelo "acendimento" ou "apagamento" de pontos sobre uma matriz. Por outro lado, dispositivos vetoriais de saída são aqueles em que as imagens são criadas através de comandos específicos para a geração de entidades como, por exemplo, retas e círculos.

Dispositovos Gráficos de Entrada

Dentre os diversos usos que podem ser dados aos dispositivos gráficos de entrada podemos destacar como mais comuns:

• Controlar um cursor que se move sobre a superfície de um monitor de vídeo (uma grande variedade de dispositivos periféricos gráficos de entrada deve ser utilizado em conjunto com um monitor de vídeo).
• Facilitar a digitalização de informações gráficas externas ao computador e
• Selecionar comandos e funções.

Entre os dispositivos de entrada gráfica mais comuns podemos destacar:

a)Teclado:(vetorial) É o dispositivo mais comum de todos os computadores. Como dispositivo de entrada gráfico é utilizado quando nos valemos das teclas de função e de setas para movimentar um cursor sobre a tela de um monitor de vídeo;

b)"Mouse":(vetorial)é um dispositivo que consiste de uma pequena caixa, com rodas ou esferas em sua parte inferior. A medida que o usuário desloca o "mouse" sobre uma mesa este movimento produz rotações em suas rodas (ou esferas). Estas rotações são então convertidas e enviadas para o computador sob forma de números que definem o deslocamento do "mouse" em relação a sua posição anterior. Um "mouse" é, normalmente, utilizado para mover um cursor sobre a tela e permitir a criação de desenhos ou a escolha de opções em menus, entre outras funções. Para a escolha de opções ou marcação de pontos o "mouse" possui, em sua parte superior, um ou mais botões que ao serem pressionados também geram sinais para o computador. Os "mouse" de rodas ou esferas são mecânicos e por vezes podem falhar em detectar movimentos na diagonal ("mouse" de rodas) ou em superfícies muito lisas ("mouse" de esfera ou de rodas). Para contornar esse tipo de problema surgiram mais recentemente os "mouse" óticos. O "mouse" ótico desliza sobre uma superfície refletora especial que permite que seu sistema ótico perceba seu deslocamento;

b)"Trackball"(vetorial)pode ser considerado um "mouse" de cabeça para baixo através do qual o usuário gira diretamente uma esfera colocada dentro de uma pequena +caixa. Estes giros são tratados de forma idêntica ao que acontece com um "mouse" de esfera;

c)"Scanner":(matricial)é um equipamento que disp¨e de sensores capazes de detectar as mudanças de coloração de uma superfície (desenhos e letras), transferindo ao computador uma matriz de pontos. Existem, basicamente, dois tipos de "scanners": "scanners de mesa" que se assemelham a uma máquina de xerox e "scanners de mão" que se assemelham a um mouse onde no lugar das rodas ou esferas temos um sensor de coloração. Em geral as imagens produzidas por um "scanner" de mão são de qualidade inferior devido ao fato que elas estão sujeitas à perícia do operador. Em geral os "scanners" são monocromáticos e produzem imagens em tons de cinza utilizando-se de técnicas de "Halftone". "Scanners" coloridos utilizam-se de filtros para compor imagens a cores.

d)Mesa Digitalizadora:(vetorial) consiste de uma mesa e de um apontador (caneta ou mouse). A cada vez que o usuário toca a mesa com o apontador é informado ao computador a coordenada deste ponto dentro da mesa. Seu maior potencial é a capacidade de produzir coordenadas absolutas. Possuem características importantes de qualificação de um dispositivo de entrada, a saber: linearidade e repetibilidade. Existem três tipos básicos de mesas digitalizadoras: Mesa de sensores por pressão onde pressiona-se a superfície sensora com o apontador e esta pressão gera um potencial de tensão que por sua vez é decodificado e enviado ao computador. Atualmente é pouco utilizada devido sobretudo a baixa resolução. Mesa de leitura elétrica onde o sensor transmite um campo magnético que gera tensão por indução em uma malha de fios localizados abaixo da superfície da mesa. Multiplexadores eletrônicos embutidos na borda da mesa medem a grandeza do sinal recebido. Na região onde o sinal tem maior intensidade a posição é detectada. Mesas acústicas onde não existe superfície sensora. Nestas microfones lineares dispostos em ângulo reto formando um esquadro delimitam a área de atuação. O cursor emite um sinal de alta freqüência que é captado pelos microfones laterais. O tempo de propagação e reflexão das ondas sonoras determinam a posição. No Brasil este tipo de não é fabricadas devido a sua alta tecnologia. O acréscimo de mais um microfone ortogonal aos outros dois transforma-a em uma digitalizadora tridimensional;

e)Digitalizador de Vídeo:(matricial) consiste de um equipamento capaz de transferir a imagem captada por uma câmera de vídeo para a memória do computador em forma de um matriz de pontos. Nesta matriz cada uma das entradas corresponde a cor de um dos pontos da imagem captada pela câmera;

f)Digitalizador tri-dimensional:(vetorial) consiste de uma espécie de braço mecânico com um sensor de toque na ponta. A cada vez que o sensor atinge um ponto na superfície de um objeto a coordenada deste ponto em relação a um ponto de referência(origem) é transmitida ao computador.

Dispositivos Gráficos de Saída

a)Traçadores gráficos ou "plotters": (vetorial) são dispositivos que se utilizam de uma caneta para riscar o papel. Existem dois modelos básicos. Um onde o papel permanece fixo e a caneta produz desenhos sobre o mesmo pela combinação de movimentos horizontais e verticais e outro onde o desenho é produzido pela combinação dos movimentos do papel e da caneta (um ortogonal ao outro). Independente do modelo os traçadores são, em geral, dispositivos que recebem comandos de alto nível que especificam o traçado de pontos, retas, círculos, arcos, regiões hachuradas, etc;

b)Impressoras matriciais (matricial) possuem um cabeçote onde estão montadas colunas de agulhas. Estas agulhas são pressionadas contra uma fita gerando imagens no papel. Para se obterem imagens colorias é necessário usar fitas de mais de uma cor como nas máquinas de escrever;

c)Impressoras a jato de tinta (matricial) possuem no cabeçote minúsculos tubos que jogam tinta sobre o papel. Utilizando-se tintas de várias cores obtém-se imagens semelhantes a fotografias, sendo esta sua grande vantagem;

d)Impressoras a "LASER" (matricial) são as que possuem melhor qualidade de imagem em preto e branco. Funcionam de maneira semelhante as máquinas de xerox. A imagem é magnetizada por laser em um tambor sobre o qual é espalhado "tonner" que se concentra nos pontos magnetizados. Em seguida o tambor é pressionado sobre o papel que absorve a tinta. O grande problema das impressoras a LASER é que para poder gravar a imagem sobre o tambor é necessário que a mesma seja mapeada em memória. Como a resolução é muito alta esta memória tende a ser bastante grande (da ordem de 2 Mega bytes). Por esta razão o tempo de transferência dos dados do computador para a impressora cresce;

e) Monitores de vídeo: devido a posição de destaque que os monitores de vídeo possuem como dispositivos de saída gráficos os mesmos serão tratados em maiores detalhes na seção 2.5.

Tecnologias de Monitores de Vídeo

Dentre os dispositivos utilizados para a visualização de dados gráficos, certamente os monitores de vídeo assume papel de destaque devido a sua flexibilidade. Por esta razão, serão apresentados alguns tipos de tecnologias utilizadas na construção dos mesmos. Estas informações serão úteis para o entendimento de diversos algorítmos em CG.

Display de Varredura rastreada

É o tipo de "display" mais utilizado hoje em dia devido a seu baixo custo e boa qualidade de imagem..

Esse tipo de "display" é baseado em um tubo de raios catódicos (CRT display)(figura 2.1). Seu funcionamento é bastante simples: uma cápsula de vidro de formato especial constitui seu corpo e é suporte para todos os seus componentes internos. A parte frontal do tubo é revestida com uma camada de fósforo, produto químico capaz de emitir luz quando bombardeado por elétrons.

O canhão de elétrons situa-se na extremidade oposta do tubo e é capaz de direcionar seu feixe para uma determinada posição da tela gerando assim um pixel. A habilidade de se fazer desenhos sobre a tela é resultante do controle que temos sobre o feixe de elétrons. A medida que deslocamos o feixe, o rastro de brilho que fica sobe a tela irá compor a imagem.

Em geral o controle do canhão é feito através de comandos que são passados a uma placa controladora do vídeo. Dificilmente controlamos diretamente o canhão. Para que possamos localizar pontos sobre a superfície do fósforo, geralmente os controladores usam mapear sobre a mesma um plano cartesiano.

 Ocorre que um elétron que atinge a superfície do vídeo produz um brilho que decai com o tempo. Esse tempo que um fósforo é capaz de conservar-se aceso é chamado de Tempo de Persistência do Fósforo.

Não importando qual a persistência do fósforo é certo que de tempos em tempos será necessário fazer um "refresh" da imagem, ou seja, será necessário que o canhão redesenhe a mesma imagem antes que o fósforo se apague. Desta maneira tem-se a ilusão de que a imagem permanece "acesa". Obviamente o tempo de "refresh" terá de ser menor que o tempo de decaimento do fósforo. Em geral a imagem tem de ser refeita de 30 a 60 vezes por segundo.

Os vídeos podem ser classificados de acordo com a persistência do fósforo em vídeos de alta e baixa persistência.

Vídeos de alta persistência são próprios para exibir imagens estáticas sobre a tela. Existem fósforos de persistência maior que 1 segundo. São equipamentos baratos, uma vez que os circuitos que controlam o canhão de elétrons não precisam ser muito velozes.

Vídeos de baixa persistência são próprios para exibir imagens dinâmicas. São mais caros porque exigem circuitos mais velozes para controlar o canhão.

 Os vídeos também podem ser classificados de acordo com o tipo de varredura que o dispositivo controlador se utiliza para manter uma imagem acesa.

Vídeos de varredura aleatória possuem capacidade de armazenar na memória de seus controladores uma lista de primitivas gráficas (pontos, retas, polígonos) que comp¨e um desenho. Essa lista é percorrida seqüencialmente e de maneira repetitiva com o objetivo de manter a imagem na tela. Para acrescentar ou eliminar um elemento do desenho basta acrescentar ou eliminar primitivas da lista. Se a lista ficar vazia o canhão para.

O grande inconveniente dos vídeos de varredura aleatória é que a medida em que a complexidade do desenho cresce (aumenta a lista de primitivas) aumenta o tempo necessário para varrer toda a lista. Se este tempo crescer mais que o tempo de persistência do monitor a imagem começa a piscar.

Os vídeos de varredura fixa possuem uma estrutura que evita os problemas dos de varredura aleatória. O controlador dos mesmos possue um memória organizada como uma matriz onde cada posição da matriz corresponde a uma posição em um plano cartesiano de coordenadas inteiras. A varredura é feita percorrendo-se a matriz sempre da mesma maneira acendendo-se pontos naquelas posições onde a posição correspondente da matriz possuem valor ACESO e não fazendo nada nas outras. Neste tipo de tecnologia diz-se que a imagem é mapeada em memória. O ato de acender ou apagar um ponto da tela resume-se a colocar valores em posições de memória predeterminadas. A resolução deste tipo de vídeo é determinada pelo tamanho da memória da vídeo (resolução=número de "pixels" na direção de cada um dos eixos coordenados).

O funcionamento dos vídeos coloridos é bastante semelhante ao dos monocromáticos. As diferenças ocorrem no fósforo e na maneira de se organizar a memória da imagem. Ao invés do vídeo ser recoberto com uma única camada de fósforo de uma única cor, nas posições que o canhão é capaz de atingir, temos pequenas quantidades de fósforo azul, verde, e vermelho (sistema RGB, R="red", G="green", B="Blue") dispostos, em geral, de maneira triangular.

O canhão de elétrons atinge, então, as áreas das diferentes tonalidades conforme o tom que se deseja exibir na tela.

Memória de vídeo

Conforme já foi mencionado os vídeos de varredura fixa possuem a imagem mapeada em memória. Cada posição da memória imagem corresponde a um "pixel" da tela. No caso dos vídeos monocromáticos, a quantidade de memória necessária para indicar o estado de um PIXEL é um BIT (0 = apagado, 1 = aceso). Para podermos trabalhar com mais cores teremos de aumentar o número de bits por pixel.

De fato, no caso de monitores coloridos, o que se precisa é registrar, na memória de vídeo, a intensidade de cada uma das três componentes(R, G e B) para cada ponto.

Como número de cores que os vídeos podem produzir é muito grande, a limitação do número de cores (resolução de cor) é imposta pelo tamanho da memória do controlador. Diz-se, então, que a resolução de cor de um controlador é determinada pelo tamanho de sua memória ou pela relação bit/pixel. Quanto maior o número de intensidades disponível para cada canhão(R,G,B) maior será a quantidade de memória necessária para armazenar a cor de um ponto e, conseqüentemente, maior terá que ser o tamanho da memória de vídeo.

Por exemplo, se for necessário ter-se 256 intensidades diferentes de cor para cada canhão serão gastos 8 bits por canhão (2⁶=64) serão consumidos, por pixel, 3 bytes. Em uma tela de 1024x1024o tamanho da memória de vídeo será de 3Mb (1024x1024*3=3Mb). Já em uma tela de 640x480 a memória de vídeo deverá ter 900 Kb.

A este tipo de controlador, que armazena para cada ponto o valor de cada componente RGB, foi dado o nome de True-color Systems.

O problema deste tipo de técnica, para a organização da memória de vídeo, é seu custo. Isto porque, a memória de vídeo é formada, na realidade, por um conjunto de registradores de cor(que têm um preço mais elevado que as memórias comuns).

Sistemas de Palette 

Em função do alto custo apresentado pelo método de armazenamento acima descrito, os técnicos de "hardware" introduziram o conceito de PALETTE ou tabela de cores. Com esta nova técnica, para cada ponto não se armazena mais os valores das componentes R, G e B e sim apenas um número que indica um índice em uma Tabela de Registradores de Cores. Nesta tabela representa-se, então, as quantidades de R, G, B para cada certa cor.

A primeira vantagem desta técnica é que a memória de vídeo passa a ser formada não mais por registradores e sim por elementos de memória de custo mais reduzido.

Além disso ocorre uma redução no tamanho da memória de vídeo. Tome-se o caso descrito anteriormente de uma tela de 1024x1024 e de um controlador com uma tabela de 256 registradores de cor, cada um deles com 8 bits para cada componente RGB. Para endereçar cada uma das entradas do "palette" necessita-se de 8 bits por "pixel"(2⁸=256). Com esta configuração tem-se um consumo de 1Mb(1024x1024x1=1Mb) para a memória de vídeo e de apenas 768 (256x3=768) registradores de cor para o "palette".

A desvantagem dos sistemas de "palette" em relação ao sistemas "true-color" reside no fato de que a tabela de registradores de cor tem um número de entradas finito e, por conseqüência, o número de cores diferentes possíveis de se exibir em um mesmo momento fica restrito a seu tamanho.

Displays de Cristal-líquido

São os mesmos displays utilizados em mostradores de relógios e calculadoras. Estes monitores possuem uma camada de cristal líquido é comprimida entre duas placas de vidro(figura 2.1). Internamente essas placas de vidro possuem condutores de espessura bastante fina, praticamente transparentes ao observador. Esses fios estão dispostos em malha. Inicialmente as moléculas do cristal estão desorganizadas e permitem a passagem da luz. Ao aplicar-se uma tensão nos fios elas se organizam próximas aos nós da malha e bloqueiam a passagem da luz. Adicionando-se cor aos cristais é possível criar "displays" coloridos.

O grande problema desse tipo de tecnologia é o tempo que as moléculas do cristal levam para reagir.