Introduzione alla Grafica Digitale HW: dispositivi di visualizzazione di immagini

Introduzione alla Grafica Digitale

HW:

dispositivi di visualizzazione

di immagini


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


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


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


qualche dettaglio dei dispositivi di visualizzazione di immagini di tipo "schermo"

CRT (CathodeRayTubes), LCD (Liquid Crystal Displays), Plasma Displays

HWalcune 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. ProgressiveStereo (immagini 3D)Field-Sequential vs. PolarizedDecay Rate (animation, stereo) on both CRTs and LCDsPixel SizeDPI 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 )

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'immaginedalla memoria grafica o frame buffer sullo schermo, utilizzando un po' di hw:

QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor

are needed to see this picture.

[[ 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 mediaera 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 CPU8K 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 outStorage: 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 rivalutazionedi 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)

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)

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),

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 68000in 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 presentazionedi uno schermo grafico di alto livello dell'IBM,di costo notevolmente superiore ad uno schermostandard 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 angleTFT 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, VGAgraphics 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 cmResolution 204 ppi (pixel pitch 0.1245 mm)16.70 M Colors (10 bit/color)Brightness 235 cd/m2 Contrast 400:1Viewing Angle Hor/Ver +- 85 DegreeDimension 547 mm x 437 mm x 196 mmWeight 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 availableDimensions- 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's1.4 to 1.7 Ghz AMD Processors512MB RAM per PC 64MB GeForce3 Video Cards Dual Boot OS - Windows2000 and RedHat LinuxGigabit Ethernet

see next slide



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)


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 Depth (inch)3.5 Warranty1 year Labor Warranty1 year

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)


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)


(*) 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 photo-like 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 ;-)


Dell notebook LCD displays:

Figure 1. Comparison of 2-Megapixel Digital Photo Displayed on XGA, SXGA+, and UXGA Panels



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 SpecificationsDescription: Ultra-Wide format, front loaded, space saving, roll feed plotterThroughput: Up to 90 m/hr (98y/hr)Media Width: From 1.11 meter to 2.2 meter RollsMedia 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 markersBuffer Size 1 MegabyteInterface RS-232C serial portLanguages DMPL, HPGL: HP-7475 &HP-7596Power: 90 to 264 Vac@ 47 to 66 hz, 160 WattsFront Control: Speed, pen force and roll/unroll control

QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressorare needed to see this picture.

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 ...

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Introduzione alla Grafica Digitale HW: dispositivi di visualizzazione di immagini