Теория компьютерной графики

     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
• Данный процесс может занимать как длительное время, так и происходить в реальном времени
• В современных графических программах эти различия постепенно стираются:
• 2D-приложения применяют алгоритмы трехмерной графики для достижения определенных эффектов, например качественного освещения
• 3D-приложения, напротив, применяют чисто 2D-технологии, например, для постобработки полученных изображений

 
 

     Наиболее  известны два способа визуализации: растровый и векторный.

     Растровая визуализация 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’S Element) - 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

 

     Векторная визуализация 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.