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Computação Gráfica 3D, Notas de estudo de Biotecnologia

Computação Gráfica 3D

Tipologia: Notas de estudo

2012
Em oferta
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Compartilhado em 11/10/2012

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Cadernos de Informática
1
COMPUTAÇÃO GRÁFICA
Secretaria de Estado de Educação MG
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Cadernos de Informática

Secretaria de Estado de Educação MG

Lindsley Daibert

Coordenador

Carlos Eduardo Hermeto Sá Motta

Cadernos de Informática

Secretaria de Estado de Educação MG

Os computadores que estão sendo instalados pela SEE nas escolas estaduais deverão ser utilizados para propósitos administrativos e pedagógicos. Para isso, desenvolveu-se um conjunto de cursos destinados a potencializar a utilização desses equipamentos. São doze cursos que estão sendo disponibilizados para as escolas para enriquecimento do seu plano curricular. Esses cursos não são profissionalizantes. São cursos introdutórios, de formação inicial para o trabalho, cujo objetivo é ampliar o horizonte de conhecimentodos alunos para facilitar a futura escolha de uma profissão.

Todos os cursos foram elaborados para serem realizados em 40 módulos-aula, cada um deles podendo ser desenvolvidos em um semestre (com 2 módulos-aula semanais) ou em 10 semanas (com 4 módulos-aula semanais). Em 2006, esses cursos deverão ser oferecidos para os alunos que desejarem cursá-los, em caráter opcional e horário extra- turno.

Em 2007, eles cursos deverão ser incluídos na matriz curricular da escola, na série ou séries por ela definida, integrando a Parte Diversificada do currículo.

Esses cursos foram concebidos para dar aos professores, alunos e funcionários uma dimensão do modo como o computador influencia, hoje, o nosso modo de vida e os meios de produção. Para cada curso selecionado pela escola deverão ser indicados pelo menos dois ou, no máximo, três professores (efetivos, de preferência) para serem capa- citados pela SEE. Esses professores irão atuar como multiplicadores, ministrando-os a outros servidores da escola e aos alunos.

CURSO DE C APACITAÇÃO EM I NFORMÁTICA I NSTRUMENTAL

Este curso será implantado obrigatoriamente em todas as escolas estaduais em que for instalado laboratório de informática. Iniciando pelas Escolas-Referência, todos os pro- fessores e demais servidores serão capacitados para que possam fazer uso adequado e proveitoso desses equipamentos tanto na administração da escola como nas atividades didáticas.

É um curso voltado para a desmistificação da tecnologia que está sendo implantada. O uso do computador ainda é algo difícil para muitas pessoas que ainda não estão muito familiarizadas com essas novas tecnologias que estão ocupando um espaço cada vez maior na escola e na vida de todos. Este curso vai motivar os participantes para uma aproximação com essas tecnologias, favorecendo a transformação dos recursos de informática em instrumentos de produção e integração entre gestores, professores e demais servidores. As características dos equipamentos e as funcionalidades dos pro- gramas serão apresentadas de maneira gradual e num contexto prático. Essas.situações práticas serão apresentadas de maneira que o participante perceba o seu objetivo e o valor de incorporá-las ao seu trabalho cotidiano. Os participantes serão preparados

APRESENTAÇÃO

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para navegar e pesquisar na internet; enviar, receber e administrar correspondência eletrônica, além de criar e editar documentos (textos, planilhas e apresentações) de interesse acadêmico e profissional. Esse é um curso fundamental, base e pré-requisito para todos os demais.

CURSO DE M ONTAGEM E MANUTENÇÃO DE COMPUTADORES

Este curso será implantado em, pelo menos, uma escola do município sede de cada Superintendência Regional de Ensino. A indicação da escola deverá ser feita pela pró- pria S.R.E, levando-se em conta as condições de infra-estrutura nas Escolas-Referência existentes no município. Nas escolas escolhidas será montado um laboratório de informática especialmente para a oferta desse curso.

O objetivo deste curso é capacitar tecnicamente os alunos de ensino médio que queiram aprender a montar, fazer a manutenção e configurar microcomputadores. Pode ser ofe- recido para alunos de outras escolas, para professores e demais servidores da escola e para a comunidade, aos finais de semana ou horários em que o laboratório esteja dis- ponível.

Neste curso o participante aprenderá a função de cada um dos componentes do microcomputador. Aprenderá como montar um computador e como configurá-lo, insta- lando o sistema operacional, particionando e formatando discos rígidos, instalando pla- cas de fax/modem, rede, vídeo, som e outros dispositivos. Conhecerá, ainda, as técnicas de avaliação do funcionamento e configuração de microcomputadores que esteja preci- sando de manutenção preventiva ou corretiva, além de procedimentos para especificação de um computador para atender as necessidades requeridas por um cliente.

Dos cursos que se seguem, as Escolas-Referência deverão escolher pelo menos dois para implantar em 2006.

No período de 13 a 25 de março/2006, estará disponível no sítio da SEE (www.educacao.mg.gov.br) um formulário eletrônico para que cada diretor das Escolas- Referência possa informar quais os cursos escolhidos pela sua escola e quais os profes- sores que deverão ser capacitados. Durante o período de capacitação, os professores serão substituídos por professores-designados para que as atividades didáticas da es- cola não sejam prejudicadas.

1. CURSO SOBRE O SISTEMA O PERACIONAL LINUX

É destinado àqueles que desejam conhecer ferramentas padrão do ambiente Unix. É um curso voltado para a exploração e organização de conteúdo. São ferramentas tipica- mente usadas por usuários avançados do sistema operacional. Tem por finalidade apre- sentar alguns dos programas mais simples e comuns do ambiente; mostrar que, mesmo com um conjunto pequeno de programas, é possível resolver problemas reais; explicar a comunicação entre programas via rede e estender o ambiente através de novos pro-

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Cadernos de Informática

É um curso voltado para aqueles que desejam conhecer os sistemas que gerenciam volu- mes grandes e variados de informações, largamente utilizados no mundo empresarial.

Ementa: Modelagem de dados. Normalização. Linguagem SQL. Mecanismos de consulta. Criação e alteração de tabelas. Manipulação e formatação de dados. Organização de resultados de pesquisa. Acesso ao servidor de bancos de dados. Contas de usuários. Segurança. Administração de bancos de dados. Manutenção. Integridade.

4. C URSO DE C ONSTRUÇÃO DE WEB S ITES

Este curso mostrará aos participantes como construir páginas HTML que forma a estru- tura de um “site” na internet. A primeira parte do curso é voltada para a construção de páginas; a segunda parte, para a estruturação do conjunto de páginas que formação o “site”, incluindo elementos de programação. Explicará os conceitos elementares da web e mostrará como é que se implementa o conjunto de páginas que forma o “site” num servidor.

Ementa: Linguagem HTML. Apresentação dos principais navegadors disponíveis no mer- cado.

Construção de uma página HTML simples respeitando os padrões W3C. Recursos de formatação de texto. Recursos de listas, multimídia e navegação. Tabelas eFrames. Folha de Estilo. Elementos de Formulário. Linguagem Javascript. Interação do Javascript com os elementos HTML. Linguagem PHP. Conceitos de Transmissão de Site e critérios para avaliação de servidores.

1. CURSO DE EDITORAÇÃO ELETRÔNICA

Voltado para a produção de documentos físicos (livros, jornais, revistas) e eletrônicos. Apresenta as ferramentas de produção de texto e as ferramentas de montagem de ele- mentos gráficos numa página. O texto é tratado como elemento de composição gráfica, juntamente com a pintura digital, o desenho digital e outros elementos gráficos utiliza- dos para promover a integração dos elementos gráficos.

O curso explora de maneira extensiva os conceitos relacionados à aparência do texto relativos aos tipos de impressão (fontes). Mostra diversos mecanismos de produção dos mais variados tipos de material impresso, de texto comum às fórmulas matemáti- cas. Finalmente, discute a metodologia de gerenciamento de documentos.

Ementa: Editor de textos. Formatadores de texto. Tipos e Fontes. Gerenciamento de projetos.

Publicações. Programas para editoração. Programas acessórios. Impressão. Desenvolvi- mento de um projeto.

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2. CURSO DE ILUSTRAÇÃO D IGITAL

Desenvolvido sobre um único aplicativo de tratamento de imagens e pintura digital, o GIMP (GNU Image Manipulation Program – Programa de Manipulação de Imagens GNU).

Este curso ensina, passo a passo, como utilizar ferramentas do programa para produzir ilustrações de qualidade que podem ser utilizadas para qualquer finalidade. A pintura digital é diferente do desenho digital. O desenho se aplica a diagramas e gráficos, por exemplo. A pintura tem um escopo muito mais abrangente e é uma forma de criação mais livre, do ponto de vista formal. É basicamente a diferença que há entre o desenho artístico e o desenho técnico. É, portanto, um curso voltado para aqueles que têm inte- resses e vocações artísticas.

Ementa: A imagem digital. Espaços de cores. Digitalização de imagens. Fotomontagem e colagem digital. Ferramentas de desenho. Ferramentas de pintura. Finalização e saída.

3. C URSO DE PRODUÇÃO FONOGRÁFICA

Curso voltado para aqueles que têm interesse na produção musical. Explica, através de programas, como é que se capturam, modificam e agrupam os sons musicais para pro- duzir arranjos musicais. É um curso introdutório com uma boa visão da totalidade dos procedimentos que levam à produção de um disco.

Ementa: O Fenômeno Sonoro. O Ambiente Sonoro. A Linguagem Musical. Pré-Produção. O Padrão MIDI. A Gravação. A Edição. Pós-processamento. Mixagem. Finalização.

4. CURSO DE C OMPUTAÇÃO GRÁFICA

Curso introdutório de modelagem, renderização e animação de objetos tridimensionais.

Esse curso é a base para utilização de animações tridimensionais em filmes. Conduzido como um tutorial do programa BLENDER, apresenta a interface do programa e suas operações elementares. Destinado àqueles que têm ambições de produzir animações de alta qualidade para a educação ou para a mídia.

Ementa: Introdução à Computação Gráfica. Conceitos básicos 2D e 3D. Interface princi- pal do programa Blender. Espaço de trabalho. Navegação em 3D. Modelagem em 3D. Primitivas básicas. Movimentação de objetos. Edição de objetos. Composição de cenas. Materiais e texturas. Aplicação de materiais. UV Mapping. Luzes e Câmeras. Iluminação de cena. Posicionamento e manipulação de câmera. Renderização still frame. Formatos de saída. Animação básica. Movimentação de câmera e objetos. Renderização da anima- ção. Formatos de saída.

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SUMÁRIO

Introdução: ...................................................................................... 13

Modelagem. Materiais. Iluminação. Câmera. Renderização.

Módulo 1: ......................................................................................... 14

Introdução à Computação Gráfica. Conceitos básicos 2D e 3D.Interface principal doBlender. Espaço de trabalho. Reconfigurando ainterface. Gravando uma cena. Carregando uma cena. Visualização. Navegação em 3D.

Módulo 2: ......................................................................................... 25

Curvas e superficies. CurvasBézier. CurvasNURBS. Extrusão.

Módulo 3: ......................................................................................... 34

Modelagem em 3D. Primitivas básicas – Plano, Cubo, Círculo, Esfera UV, Icosfera, Cilindro, Tubo, Cone, Grade, Macaca. Texto.

Módulo 4: ......................................................................................... 37

Transformação de objetos.Pivots e outros pontos de referência.

Módulo 5: ......................................................................................... 41

Agrupamento de objetos(parenting).Layers. Edição de objetos. Duplicação de objetos.

Módulo 6: ......................................................................................... 47

Modelagem porSubSurf. Modelagem de objetos orgânicos a partir de formas geométricas básicas.

Módulo 7: ......................................................................................... 56

Materiais. Aplicação de materiais – Cores.Smooth. UV Mapping. World – Background.

Módulo 8: ......................................................................................... 64

Luzes e Câmeras. Iluminação de cena. Tipos de luzes. Renderizaçãostill frame. Formatos de saída

Módulo 9: ......................................................................................... 71

Animação básica – Fatores de tempo, Métodos de animação – Keyframes, Motion Curves, Paths.

Módulo 10: ....................................................................................... 77

Animação para TV. Movimentação de câmera e objetos. Renderização da animação. Formatos de saída.CODECS.

HotKeys. .......................................................................................... 82

Glossário. ......................................................................................... 84

Recursos naweb. .............................................................................. 87

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MÓDULO 1: INTRODUÇÃO À C OMPUTAÇÃO G RÁFICA. CONCEITOS BÁSICOS 2D E 3D. I NTERFACE PRINCIPAL DO BLENDER. E SPAÇO DE TRABALHO. RECONFIGURANDO AINTERFACE. G RAVANDO UMA CENA. C ARRE - GANDO UMA CENA. VISUALIZAÇÃO. N AVEGAÇÃO EM 3D.

1.1 I NTRODUÇÃO À COMPUTAÇÃO GRÁFICA.

Os objetos que são criados virtualmente em um computador não existem fisicamente. São representações numéricas armazenadas em sua memória, transformadas através de operações matemáticas e projetadas no monitor em uma forma reconhecível. Essas operações matemáticas são invisíveis para o usuário, que trabalha apenas em níveis mais elevados de representação, manipulando ícones e botões para conseguir o resultado visual desejado. Vivemos em um mundo tridimensional. Isto significa que são necessárias três coordenadas para se definir a localização de um ponto no espaço. Os objetos que nos cercam também tem sua forma caracterizada a partir de três dimensões: altura, largura e profundidade. Entretanto, o termo computação gráfica tridimensional não corresponde totalmente à realidade. No computador nós manipulamos uma representação bidimensional de um mundo virtual tridimensional, pois o monitor do computador só tem capacidade para mostrar duas dimensões: a altura e a largura. O que nos dá a ilusão de que a imagem que estamos vendo tem volume são as luzes, cores e sombras que simulam a profundidade da cena, ainda que sua representação seja em 2D. Pense na televisão: as cenas que se sucedem, vívidas e coloridas, nos dão a sensação quase palpável de uma realidade tridimensional, mas a tela da TV é plana, contando apenas com duas dimensões.

1.2 C ONCEITOS BÁSICOS 2D E 3D.

Ao lidarmos com imagens num computador, utilizamos referências chamadas de coordenadas espaciais, representadas por números pertencentes a eixos de referência. Quando lidamos com imagens bidimensionais, são utilizados dois eixos: o eixo X (horizontal) e o eixo Y (vertical). O espaço tridimensional em que os objetos são criados através doBlender é também um espaço virtual, existente apenas nosoftware. Esse volume é infinitamente grande, como o espaço real, o que poderia nos levar a ficar perdidos dentro dele se não pudéssemos contar com referências espaciais. Como o espaço é tridimensional, logicamente existem três eixos, chamados de X, Y e Z. Assim, o ponto central de todo esse volume é definido pelas coordenadas 0,0,0, ou seja, coordenada zero no eixo X (horizontal), coordenada zero no eixo Y (vertical), e coordenada zero no eixo Z (eixo perpendicular à tela do computador). Esse ponto é chamado de ponto de origem, e está localizado na interseção dos eixos X, Y, e Z. Para localizar qualquer ponto nesse espaço, basta fornecer suas três coordenadas espaciais. Por exemplo: o ponto com as coordenadas 120, 234, 23 possui coordenada 120 no eixo horizontal, coordenada 234 no eixo vertical e coordenada 23 no eixo da profundidade (perpendicular à tela do computador). Números negativos significam que o ponto está localizado no mesmo eixo, mas no sentido contrário em relação ao ponto de origem (Figura 1.1).

Fig. 1.1: Eixos de referência 3D.

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A geometria nos diz que o mínimo para se definir uma linha reta são dois pontos. Quando essa reta é desenhada em 2D, necessitamos apenas de duas coordenadas para definir cada ponto: X e Y. Entretanto, se quisermos desenhar uma linha reta no espaço precisamos determinar as coordenadas tridimensionais dos dois pontos que a definem. Quando construímos um objeto tridimensional, os pontos extremos que definem as linhas do objeto são chamados de vértices, as linhas são chamadas de arestas, e os lados do objeto são chamados de faces (Figura 1.2).

1.3 I NTERFACE PRINCIPAL DO BLENDER VERSÃO 2..

OBlender é um programa para criação, edição e animação de cenas tridimensionais. É um programa sólido e relativamente poderoso, que possui a grande vantagem de ser gratuito, por ser executado no ambienteLinux. Essa não é uma pequena vantagem, pois programas similares para o ambienteWindows custam vários milhares de dólares. Apesar da interface doBlender não seguir um padrão habitual, ela é altamente eficiente e consistente, permitindo um trabalho rápido, intuitivo e preciso depois de ser dominada. Uma das regras básicas para se trabalhar com oBlender é utilizar tanto omouse como o teclado, que possui diversos atalhos para praticamente todas as funções importantes do programa. Mesmo que no início seja um pouco difícil se lembrar de tantas combinações de teclado para acessar essas funções, com o tempo esses atalhos acabarão sendo memorizados e facilitarão enormemente o desenvolvimento do trabalho. A interface foi projetada para funcionar com um mouse de três botões, mas se o seu mouse possuir apenas dois botões, basta apertar a teclaAlt mais o botão esquerdo do mouse para simular o botão do meio.

1.4 ESPAÇO DE TRABALHO.

Ao abrir o programaBlender, ele se apresenta com uma tela padrão. A tela de trabalho doBlender se divide em três partes. Na parte superior se encontra a janela de informa- ções(Info Window). Nesta área são mostradas algumas estatísticas sobre a cena em que se está trabalhando, o número da versão do programa e algumas outras informações (Figura 1.3). Ve: informa o número total de vértices dos objetos da cena. Fa: informa o número de faces de todos os objetos da cena. Ob: mostra dois números. O primeiro é o número total de objetos na cena. O segundo é o número de objetos selecionados na- quele momento. Mem: indica a memória utilizada pelo programa.

Na parte inferior encontra-se a janela dos botões (Buttons Window), assim chamada por razões óbvias. Nesta janela encontram-se diversas opções de edição da cena de trabalho: luzes, câmeras, materiais, ajustes de renderização e animação, além de outras (Figura 1.4). Além de cada botão ter seu texto denominativo, ao se posicionar omouse sobre o botão, sem apertá-lo, aparece também um rótulo explicativo da sua função. As funções que podem ser acessadas através de atalhos de teclado tem esses atalhos

Fig. 1.2: Definições.

Fig. 1.3: Info Window.

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Experimente clicar em cada uma das opções dos tipos de janela e veja como a configuração muda totalmente de acordo com o contexto da sua escolha. Não se esqueça de voltar a janela inferior para a configuração Buttons Window no final, para seguirmos com os próximos exercícios.

1.5 R ECONFIGURANDO A INTERFACE

A janela 3D pode ser reconfigurada de uma série de maneiras. Uma opção possível é criar mais janelas dividindo-se as já existentes. A partir de agora iremos fazê-lo. Para isso basta mover o cursor sobre uma linha de contorno da janela e pressionar o botão do meio ou o botão direito domouse (Figura 1.8). Aparece uma pequena janela pedin- do uma confirmação(Split Area), que deve ser dada clicando-se com o botão esquerdo do mouse. Vai aparecer uma linha representando a divisão da janela, que pode ser posicionada de acordo com a sua vontade e ter sua localização confirmada com um clique do botão esquerdo domouse. As ja- nelas podem ser divididas horizontal ou verticalmente, depen- dendo da linha da janela que foi escolhida para ser dividida. Experimente dividi-las das duas maneiras. As janelas também podem ser apagadas ou unidas de forma parecida, devendo-se posicionar o mouse sobre a linha divisória da janela escolhida, clicando-se com o botão direito domouse e confirmando a op- ção Juntar áreas(Join Areas). Existe também a opçãoNo Header, que torna a barra de cabeçalho invisível. Se o cabeçalho estiver invisível e quisermos torná-lo novamente visível, é preciso primeiro clicar na janela desejada para ativá-la, e depois mover o cursor sobre uma linha de contorno da janela e pressionar o botão do meio ou o botão direito domouse. Agora o menu apresenta a opçãoAdd Header, que retorna com o cabeçalho ao ser clicada com o botão esquerdo domouse (Figura 1.9).

Fig. 1.7: Botão especial com opções de reconfiguração da janela.

Fig. 1.8: Diálogo para divisão de janela.

Fig. 1.9: Volta do cabeçalho.

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Quando a janela 3D está dividida, podemos modificar o tamanho das janelas posicionando o cursor na linha que separa as janelas até que ele mude de forma, e depois clicando e arrastando com o botão esquerdo domouse. Experimente modificar o tamanho da jane- la dessa forma (Figura 1.10).

A vantagem de se trabalhar com mais de uma janela é que podemos visualizar o objeto criado de vários ângulos diferentes, recurso fundamental para se trabalhar com três dimensões (Figura 1.11). Geralmente é melhor começar criando os objetos na vista de topo e utilizar as outras vistas para posicioná-los adequadamente na cena.

Na ilustração acima, a vista esquerda inferior é uma vista de topo(Top), a vista esquer- da superior é uma vista de lado(Side) e a vista maior é uma vista de usuário(User), acionada quando giramos livremente o ponto de vista. Estas vistas podem ser selecionadas no cabeçalho de cada janela, no menuView (Figura 1.12). As opções disponíveis sãoSide (Lado),Front (Frente), Top (Topo), Camera (Câmera) e User (Usuário). A vista Side corresponde a olhar ao longo do eixo X na direção negativa. A vista Front ao longo do eixo Y e a vistaTop ao longo do eixo Z. Você pode também acionar estas vistas utilizando o teclado numérico. Veja na figura 12 como há um número na frente de cada opção:Side – 3, Front – 1,Top – 7 eCamera – 0. A vistaUser não possui um atalho, pois ela é variável e não fixa como as outras. Mais à frente isso ficará mais claro para você.

Fig. 1.10: Redimensionamento de janela.

Fig. 1.11: Três janelas mostrando vistas diferentes.

Fig. 1.12: Vistas no menu View.

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Pratique o que aprendeu até agora com esta cena. Subdivida as janelas 3D de forma diferente. Junte novamente janelas que estavam divididas. Mude a posição do cabeçalho da janela 3D, torne-o invisível e retorne com ele à posição original. Mude as vistas de cada janela para poder compreender melhor a importância de se trabalhar com mais de uma vista em um projeto 3D.

1.8 V ISUALIZAÇÃO

Nós podemos escolher o tipo de visualização que queremos ver em cada janela, de modo a economizar o tempo de processamento do computador. Quanto mais qualidade tiver a imagem vista na janela, mais tempo irá demorar para ser redesenhada quando for feita alguma modificação na cena. Em cenas complexas, o tempo de redesenho na janela de visualização pode se tornar um problema. Se for este o caso, mude o tipo de modo de visualização clicando no botão correspondente (Figura 1.13). Há cinco modos diferentes, aumentando na qualidade à medida que se sobe na lista. O método mais rápido é oBounding Box, que mostra uma caixa que contém o objeto. É um método rápido de se verificar a posição e o movimento de objetos, e pode ser usado para se testar animações complexas (Figura 1.14).

O modoWireframe (fio de arame) desenha o objeto usando linhas para representar as bordas visíveis dos polígonos, fazendo os objetos se parecerem com esculturas de arame. Este modo possibilita a visão da forma real do objeto e permite acesso aos seus vértices individuais para edição e modificação (Figura 1.15).

Fig. 1.13: Modos de visualização.

Fig. 1.14: Modo Bounding Box.

Fig. 1.15: Modo Wireframe.

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Já o modoSolid (sólido) representa o objeto como se fosse um bloco sólido, mostran- do as faces externas da sua geometria. Neste modo já podemos ver as cores dos obje- tos. Eles aparecem facetados, mas pela primeira vez é possível se ver os brilhos da luzes refletindo nos objetos (Figura 1.16).

Para uma visão um pouco mais realista, o modoShaded (sombreado) mostra a textura escolhida aplicada sobre a superfície do objeto, além de renderizar a iluminação de forma bem mais convincente (Figura 1.17). Texturas serão vistas em um módulo futuro mais avançado. Neste curso introdutório não serão abordadas.

O último modo, chamado deTextured, (texturizado) permite a visualização de texturas UV (ver Cap. 3) aplicadas sobre o objeto. Atenção, se não houver nenhuma luz, a janela aparecerá totalmente negra (Figura 1.18).

Abra novamente o arquivotresjanelas.blend como já fez anteriormente e modifique o modo de visualização das janelas. Experimente cada um deles e observe como os objetos se apresentam. Você não conseguirá ver ainda uma textura UV no modoTextured, pois este assunto será abordado mais à frente em detalhes, ainda neste curso.

Fig. 1.16: Modo Solid.

Fig. 1.17: Modo Shaded.

Fig. 1.18: Modo Textured.