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 (2
D
) 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 2
D
-изображений и анимации:

- Adobe Photoshop

- Corel Draw

- Macromedia (в настоящее время, Adobe) Flash

- Adobe Illustrator

Что такое трехмерная (3
D
) 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 3
D
-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
.

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’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

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
.