1 ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Самая важная функция компьютера – обработка информации. Особо можно выделить обработку информации, связанную с изображениями. Она разделяется на три основных направления: обработка изображений, распознавание изображений и компьютерная графика (КГ).
Обработка изображений – это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение, и результат – тоже изображение, но преобразованное (например, повышение контраста, четкости изображения, коррекция цвета, сглаживание и т.д.). В качестве материала для обработки могут быть космические снимки, отсканированные изображения, инфракрасные изображения и т.п.
Для распознавания изображений основная задача – получение описания изображенных объектов. Методы и алгоритмы распознавания разрабатывались, прежде всего, для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения. Но в последнее время компьютерные системы распознавания изображений все чаще используются и повседневной жизни человека, например, офисные системы распознавания текста, создание трехмерных моделей человека.
Задача КГ – визуализация, т.е. создание изображения. Визуализация выполняется исходя из описания (модели) того, что нужно отображать. Существует много методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собой в зависимости от того, что и как отображать (например, отображение графика функции, диаграммы, карты или схемы или отображение реальной трехмерной сцены в играх, художественных и мультипликационных фильмах, в системах архитектурного проектирования).
Мы будем изучать основные алгоритмы КГ.
Итак, что такое КГ?
- Это область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира
- Результат данной деятельности также называется компьютерной графикой
Области применения КГ:
- Графический интерфейс пользователя: основывается на представлении всех доступных пользователю системных объектов и функций в виде графических компонентов экрана;
- Спецэффекты, цифровая кинематография;
- Компьютерные игры;
- Цифровая фотография и цифровая обработка изображений
- Системы автоматизированного проектирования
Существует два класса КГ: двухмерная и трехмерная графика
Двухмерная (2D) компьютерная графика - создание и обработка цифровых изображений, полученных, как правило, на основе двухмерных моделей (двухмерных геометрических примитивов, текста и цифровых изображений).
Применение:
- Типография
- Картография
- Технические чертежи
- Издательское дело
- Компьютерные игры
- Графический интерфейс пользователя
Программы для создания и обработки 2D-изображений и анимации:
- Adobe Photoshop
- Corel Draw
- Macromedia (в настоящее время, Adobe) Flash
- Adobe Illustrator
Что такое трехмерная (3D) графика?
- Статические и динамические компьютерные изображения, создаваемые при помощи компьютера, которые передают эффект трехмерности изображаемых объектов
- Процесс создания таких изображений
- Область изучения методик создания трехмерных изображений и связанные с ними технологии
Особенности трехмерной графики:
- Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера или иного графического устройства с помощью специализированных программ
- При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция 4х-мерного фрактала)
Программы для создания и обработки 3D-графики:
- 3D Studio Max
- Maya
- Lightwave
- Poser
- Pov-Ray
Отличия от двухмерной графики
- Трехмерное представление геометрических данных хранится в памяти компьютера с целью получения в последствии набора двухмерных изображений
o Данный процесс может занимать как длительное время, так и происходить в реальном времени
- В современных графических программах эти различия постепенно стираются:
o 2D-приложения применяют алгоритмы трехмерной графики для достижения определенных эффектов, например качественного освещения
o 3D-приложения, напротив, применяют чисто 2D-технологии, например, для постобработки полученных изображений
Наиболее известны два способа визуализации: растровый и векторный.
Растроваявизуализация основывается на представлении изображения на экране или бумаге в виде совокупности отдельных точек (пикселов). Растровая графика (растровая визуализация) всегда оперирует с изображением, как с двухмерным массивом (матрицей) пикселей (точек изображения).
Пиксель (англ. Pixel – PICture’SElement) - это мельчайшая единица изображения в растровой графике.
Представляет собой неделимый объект прямоугольной (квадратной) формы, обладающий определенным цветом, градацией серого или прозрачностью
От количества пикселей в изображении зависит его детализация
Вместе пикселы образуют растр.
Достоинства:
- Растровые изображения позволяют воспроизвести практически любой рисунок вне зависимости от его сложности с высокой реалистичностью
- Высокая распространенность
Недостатки:
- Большой объем данных, необходимых для хранения информации об изображении в файле или при передаче по сети
- Потери качества изображения при его увеличении, вызванные дискретной природой изображения
Векторнаявизуализация основывается на формировании изображения на экране или бумаге рисованием линий (векторов) – прямых или кривых.
Векторная графика представляет изображение как набор геометрический примитивов (точек, линий, окружности, многоугольников и т.п.).
Каждый графический примитив имеет свой набор атрибутов (координаты, цвет и стиль линий и заливки).
Совокупность типов линий (графических примитивов), которые используются как базовые для векторной визуализации, зависит от определенного устройства вывода изображения.
Типичная последовательность действий при векторной визуализации для плоттера или векторного дисплея такова: переместить перо в начальную точку (для дисплея – отклонить пучок электронов); опустить перо (увеличить яркость луча); переместить перо в конечную точку; поднять перо (уменьшить яркость луча).
Достоинства
- Для описания геометрических объектов, как правило, требуется меньше данных, поэтому векторные изображения зачастую имеют меньший размер, нежели растровые
- Векторные изображения можно поворачивать, масштабировать и деформировать без потерь
Недостатки: Не всякое изображение можно адекватно представить в виде набора примитивов, в частности – фотореалистичные изображения
Растровая визуализация ассоциируется с такими графическими устройствами, как дисплей, телевизор, принтер. А векторная используется в векторных дисплеях, плоттерах. Наиболее удобно, когда способ описания графического изображения соответствует способу визуализации. Иначе нужна конвертация. Например, изображение может храниться в растровом виде, а его необходимо вывести (визуализировать) на векторном устройстве. Для этого нужна предварительная векторизация – преобразование из растрового в векторное описание. Или наоборот, описание изображения может быть в векторном виде, а нужно визуализировать на растровом устройстве – необходима растеризация.