Informatique Graphique Cours 1 - Introduction Introduction L'informatique graphique (ou infographie) est presque aussi vieille que l'informatique (elle date des premiers écrans cathodiques). Elle concerne l'étude de la création, le stockage et la manipulation de modèles et d'images d'objets. L'IG est devenue aujourd'hui largement interactive car l'utilisateur peut contrôler le contenu, la structure et l'apparence des objets en utilisant des périphériques d'entrée. C'est pourquoi l'étude de ces périphériques et de l'interaction fait également partie du champ d'étude de l'ig. l'ig se distingue du traitement d'image (amélioration d'images, détection et reconnaissance de formes, vision par ordinateur) : l'ig concerne la synthèse alors que le traitement d'image concerne l'analyse. Des interfaces textuelles aux interfaces graphiques L'infographie est chère jusqu'au début des années 80. Pui la baisse du coût du calcul et des périphériques permet de remplacer les terminaux alphanumériques par des stations graphiques. Début années 80, le Xerox STAR est la première station de travail à écran graphique bitmap : utilisation de la souris (inventée dans les années 60), invention de la métaphore du bureau, des fenêtres et de divers objets graphiques interactifs. Concept de manipulation directe, terme inventé par Ben Shneiderman en 1983. Aujourd'hui, l'ig fait partie intégrante des ordinateurs, et l'apprentissage de l'ordinateur inclut celui d'un environnement graphique. Domaines d'utilisation de l'informatique graphique Education, sciences, ingéneniérie, médecine, commerce, armée, publicité, loisirs, Interfaces Homme-Machine Modèles de fenêtrage, menus, icônes, boutons, barres de défilements... Représentation (interactive) de données Représentations graphiques 2D et 3D en mathématiques, physique, économie; courbes, surfaces, histogrammes, camemberts... Permet de clarifier des phénomènes complexes et d'aider à la prise de décisions.
Bureautique & PAO Traitement de texte, tableurs, grapheurs, etc. Permet de se passer de spécialistes. CAO & CFAO Conception de pièces et de systèmes mécaniques, électriques, électro-techniques, électroniques : immeubles, voitures, avions, bateaux, VLSI, systèmes optiques,... Création du modèle, visualisation, extraction de la liste des pièces, de plans de fabrication Visualisation, animation, simulation scientifiques écoulement des fluides, réactions chimiques et nucléaires, fonctionnement des systèmes physiologiques, des organes, déformation de structures mécaniques... Art et commerce Jeux, dessins animés, publicités, etc. Contrôle de processus Systèmes de contrôle et de commande : centrale nucléaire, usine, traffic aérien, contrôle opérationnel de l'armée, Cartographie Visualisation et traitement de données géographiques Classification des applications Selon la dimensionalité et le type des objets ou des images 2D, 3D, symbolique, abstrait, réaliste... (graphes, images de synthèse, dessin à main levée, photos...) Selon le type d'interaction Degré de contrôle que possède l'utilisateur sur les objets : résultat offline, définition de paramètre suivie de la visualisation, définition de modèle et mouvement autour, définition interactive du modèle. Selon le rôle de l'image Est-ce un but ou un moyen? Par exemple, en cartographie, c'est un but.
En CAO c'est un moyen, le but étant par exemple l'étude des propriétés géométriques de l'objet en cours de conception, ou sa fabrication, ou sa simulation (chip VLSI par exemple). Selon les relation logiques et temporelles entre les objets Images simples, séquences d'images (animation), collection structurée d'objets Architecture d'un système interactif Difficulté de développement de logiciel d'infographie : coût du matériel élevé, besoin de ressources informatiques importantes, difficulté d'écrire des programmes interactifs, logiciels ad-hoc et non portables. On cherche donc des méthodes, des techniques et des outils de production de systèmes interactifs. Modèles d'architecture Modèle de Seeheim, modèle de l'arche Boucle d'événements Technique de programmation d'un système réactif Initialiser tant que non Fini faire lire évènement traiter évènement fin Exemple : gestion du cliquer-tirer-relacher pour tracer un segment. Exercice : compléter ce programme pour traiter en plus le cas du click simple. Les dispositifs d'affichage Matériel Ecran cathodique : déflection d'un jet d'électrons sur un écran recouvert de phosphore. Ecran LCD : utilisation des propriétés de polarisation de la lumière par les cristaux liquides. Figures p. 160 161. Les écrans cathodiques nécessitent un rafraichissement à chaque trame. Balayage aléatoire (écrans vectoriels) figure 1.1 page 10: Architecture La mémoire de rafraîchissement contient des instructions.
figure 1.4.b page 13 Balayage linéaire (écrans bitmap) figure 1.2 page 11 : Architecture La mémoire de rafraîchissement (mémoire écran) contient les valeurs de chaque pixel. Si chaque pixel a un bit, c'est un bitmap, sinon c'est un pixmap (mais on emploie le terme bitmap de manière générique). figure 1.3 page 12 Pour une résolution de 1024x1024 Mémoire nécessaire Nombres de couleurs 1 pixel <--> 1 bit 1 pixel <--> 8 bits 1 pixel <--> 24 bits 128 Ko 2 1 Mo 256 3 Mo 16777216 (16 millions) Dans les systèmes haut de gamme, on peut aller jusqu'à 96 bits par pixels : 24 bits de couleur + 8 de fonctions spéciales et de contrôle (alpha channel, etc.) double buffer, soit 24+8 bits supplémentaires 32 bits pour le Z-buffer (algorithme d'élimination de parties cachées 3D) Avantages et inconvénients de chaque méthode Avantages des écrans bitmap (inconvénients des écrans vectoriels) Ecrans bitmap moins chers Facilité d'affichage de surfaces pleines, motifs de remplissage, en bitmap Images réalistes, textures,...--> bitmap En bitmap, le processus de rafraîchissement est indépendant de la complexité de l'image (nombre de polygones...). Sur un écran à balayage aléatoire, l'image commence à scintiller lorsque le nombre d'instructions devient important. Inconvénients des écrans bitmap (avantages des écrans vectoriels) Les lignes, les polygones etc. sont spécifiés en termes de points et/ou de valeurs particulières ---> nécessité d'une scan-conversion ou rastérisation (logicielle ou hardware)-->vitesse Problème du lissage, effet escalier (aliasing, anti-aliasing) Systèmes à balayage linéaire sans processeur graphique Figure 4.18, page 166
La mémoire écran fait partie de la RAM. Certains systèmes possède un zone fixe de la RAM dédié à l'affichage écran, d'autres possède plusieurs zones interchangeables (on parle de pages écran). D'autres systèmes permettent (à travers un registre) d'utiliser n'importe quelle zone de la RAM comme mémoire d'écran. Inconvénients Ralentissement de la CPU Ceci est une conséquence négative du partage de la mémoire entre la CPU et le contrôleur graphique. Considérons une résolution de 640x480 et un rafraîchissement à 60 Hz. Si on suppose que le raffraichissement vidéo effectue un accès mémoire pour chaque pixel, il effectuera donc 640x480x60 accès mémoire en 1 seconde. Ce qui veut dire qu'il accède à la mémoire chaque (1/640x480x60)s = 54 nanosecondes. Si on considère que la vitesse des mémoires RAM est de 200 nanosecondes ceci pose donc un problème. En fait, le contrôleur graphique peut lire plusieurs bits (par exemple 16) en un seul accès mémoire. Ce qui donne un accès mémoire par le contrôleur graphique, chaque 54x16 = 864 nanosecondes. Ceci laisse à la CPU le temps nécessaire pour accéder 3 fois à la RAM. Si la CPU a besoin d'accéder une quatrième, elle devra attendre, ce qui peut produire donc un ralentissement potentiel de 1/4 soit 25% de la CPU. Cet inconvénient est d'autant plus important que le nombre de couleurs augmente (nécessitant ainsi plusieurs bits par pixel). Ces temps ne tiennent pas compte du "blanking" : temps laissé par le retour du spot électronique d'une ligne à l'autre (horizontal blanking) et d'une trame à l'autre (vertical blanking). Exercice : Table 4.4 page 169. Calculer le pourcentage de temps restant à la CPU pour la 5ème ligne. Oblige à implémenter les algorithmes de rasterisation de manière soft Au contraire du raffraichissement video, qui peut lire les pixels par groupes de 8, 16, 32, etc., les algorithmes de rastérisation doivent les écrire un à un. Exercice : calculer le nombre de trames pour afficher un rectangle plein dont la taille est le quart de l'écran. On prendra les caractéristiques de l'écran de l'exercice précédent. Avantages Facilité d'accès à la mémoire écran. Architecture simple. Systèmes à balayage linéaire avec processeur graphique Figure 4.22, page 171.
Exemple d'opérations directement exécutable par un processeur graphique : Move (x,y) Point (x,y) Line (x,y) Rect (x,y) Circle (rayon) Arc (rayon, angle_début,angle_fin) Polygon (n,adresse) etc. Exemple de programme page 173. D'autres fonctionnalités plus importantes Clipping Transformations géométriques Fonctionnalités 3D, traitements des faces cachées, rendu, etc. Cela peut conduire à plusieurs processeurs graphiques spécialisés. Inconvénient majeur La communication CPU-processeur graphique est considérée comme une opération d'e/s--> lenteur des transferts. L'échange d'images entre mémoire centrale et processeur graphique est coûteux. Cela est particulièrement sensible pour les techniques de double-buffering si elles ne sont pas gérées par le processeur graphique. De plus, la fonction de raster-op (copie d'image) doit être implémentées de différentes manières selon la source et la destination (mémoire centrale / mémoire d'écran). Systèmes avec processeur graphique intégré Ici la mémoire écran fait partie de la RAM système. Figure 4.23, page 178 / 4.24, page 179 Se pose de nouveau les problèmes d'accès à la mémoire entre la CPU, le processeur graphique et le contrôleur vidéo. Solution : fournir un second accès à la mémoire écran pour le contrôleur vidéo (figure 4.24, page 179) et utiliser de la mémoire cache pour la CPU afin de réduire ses accès à la RAM. Table des couleurs Un grand nombre de bits par pixel permet un plus grand nombre de couleurs, mais coûte plus cher. De plus, la correspondante entre valeur de pixel et couleur est fixe. La table de couleurs permet de rendre l'usage de la couleur moins cher, et de rendre plus souple la correspondance pixel - couleur, autorisant des techniques spécifiques. On utilise une table des couleurs. Les valeurs des pixels pointent sur les entrées de la table. Les éléments de la table représentent les couleurs. Exemple Il est souvent utile de modifier les couleurs d'une image sans affecter la structure de l'image elle même, par exemple pour visualiser uniquement certaines parties de l'image ayant une couleur particulière ou créer des effets spéciaux (animation, solarisation,...)
Figure 4.21 page 170. Animation utilisant la table des couleurs Double buffering utilisant la table des couleurs Algorithme page 181 Opérations de rotation de la table des couleurs Fig 4.25 et 4.26, page 182. Les périphériques d'entrée Les dispositifs de localisation et de pointage Les différents types Les tablettes Mécanisme électrique, sonore ou résistif. Electrique --> la tablette contient une grille de fils conducteurs. Des pulsations électriques sont émises séquentiellement dans ces fils ce qui génère un signal électrique dans une bobine contenue dans le stylo. La puissance du signal induit est utilisée pour déterminer la position du stylo (et parfois son degré de proximité par rapport à la tablette). Sonore --> 2 micros sont positionnés sur la périphérie de la tablette. Le stylo émet des impulsions sonores. Le délai temporel entre l'émission (par le stylo) et la réception (par les micros) est proportionnel à la distance du stylo par rapport à chaque micro (ce mécanisme peut être étendu au 3D). Résistif -->Une batterie est intégrée au stylo (qui devient alors une sorte de souris). Cette batterie émet des signaux radio haute fréquence. La tablette contient une fine couche d'un matériau conducteur dans lequel un potentiel électrique va être crée par les ondes radio. La force de ce potentiel électrique aux bordures de la tablette est inversement proportionnel à la distance. Fréquence d'envoi des infos : 30 à 60 Hz Peut aussi être programmé par interruption (toucher, lever, déplacer, changement de pression...) Des boutons peuvent être disponibles sur la tablette. Les souris mécaniques, optiques Les Trackball souvent décrites comme des souris inversées! Les joysticks peuvent être déplacés à droite, à gauche, en haut, en bas...
des ressorts ramènent le manche au centre certains offrent un 3ème degré de liberté (peuvent tourner autour d'eux-mêmes dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse). Contrôle la vitesse du curseur plutôt que sa position Les écrans tactiles Optique (grille de faisceaux infrarouge qui sont interrompu au touche) --> Résolution de 10x10 à 50x50 Capacitif (détection de changement d'impédance au toucher) --> Résolution 100x100 Sonore (le doigt accélère la réflection du signal sonore qui normalement est réfléchi par l'autre extrémité de la tablette) ---> Résolution 500x500 La pression peut être fournir un troisième degré de liberté Il n'y a pas de feed-back tactile différent selon ce qui est touché ==> utilisation de feedback sonore ou visuel. Problème de fatigue, et de précision, erreur de parallaxe... Les crayons optiques Classification Absolu / Relatif Tablettes, écrans tactiles, stylos optiques --> Absolu Souris, Joysticks, Trackballs --> Relatif Relatif ---> ne convient pas au dessin à main levée Relatif ---> le programme peut repositionner le curseur n'importe où sur l'écran. Direct / Indirect Direct --> Pointage direct sur l'écran (écran tactile, stylo optique) Indirect --> Pointage à travers un périphérique (tablette, souris,...) Pointage direct --> plus naturel mais plus fatiguant --> moins précis Discret / Continu Les périphériques à caractère continu permettent en général des mouvements dans toutes les directions. Un paramètre important de ce type de périphérique est le control to display ratio C/D ratio (rapport entre les mouvements de la main et les mouvements du curseur). Un grand rapport --> bon pour la précision, mauvais pour la rapidité Un petit rapport --> inverse
Le rapport peut être ajusté dynamiquement en fonction de la vitesse des mouvements. Loi de fitts (système moteur) T=Ilog(2L/D) I=0.1 secondes application: L\D 0,5 2 5 0,30 0,16 20 0,44 0,30 Les boutons rotatifs Se présentent en général sous la forme de 2 rangées de 4 ou 5 potentiomètres rotatifs. Certains offrent une rotation limitée (330 ). D'autres supportent des rotations libres dans les deux sens sans limites. Les potentiomètres linéaires sont rarement utilisés dans les systèmes graphiques. Nouveaux périphériques Polhemus Les gants numériques Les oculomètres Le retour tactile Le retour d'effort Exercices Chapitre 1 : 1.1, 1.7 Chapitre 4 : 4.10, 4.12, 4.13 Exercices tirés du Chapitre 17, paragraphe 17.6.2, page 840-842 Comment choisir la table des couleurs pour faire la somme de deux images Comment choisir la table des couleurs pour affecter des priorités aux images.