Компьютерная графика Цель дисциплины o Изучение и

Компьютерная графика

Цель дисциплины: o Изучение и практическое освоение методов и алгоритмов создания плоских и трехмерных реалистических изображений в памяти компьютера и на экране дисплея. Рассмотрение теоретических и прикладных вопросов применения современных систем компьютерной графики. Литература o Порев В. Компьютерная графика - СПб: BHV-СПб, 2001 - 432 с. o Д. Роджерс, "Математические основы машинной графики", Москва, Мир, 2001. o Д. Роджерс, «Алгоритмические основы машинной графики", Москва, Мир, 2003. o Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе Open. GL, 2 изд. Пер. с англ. - Москва, "Вильямс", 2001. o Росс А. Ф. , Бруске М. Autodesk@ 3 ds Max 9. Основы и практика/ Пер. с англ. –Спб. : Издательство «Русская редакция» , 2007

Основные задачи компьютерной графики Компьютерная графика - это область деятельности, в которой компьютеры используются для создания, хранения и обработки моделей и их изображений Компью терная гра фика (также маши нная гра фика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности. (Википедия)

Задачи компьютерной графики При обработке информации, связанной с изображением на мониторе, принято выделять три основных направления: • распознавание образов, • обработку изображений и • машинную графику.

Области применения графических систем Область Синтез применения изображения вход Формальное описание выход Визуальное представление объект Линии, пикселы, объекты, текст задачи Генерация, преобразование изображения Анализ изображения Визуальное представление Формальное описание Обработка изображения Визуальное представление Сканируемое изображение Сгенерированное или сканируемое изображение Распознавание образов, Повышение структурный анализ, качества анализ сцен изображения

При обработке изображений существует следующие группы задач: Цифровые преобразования по цели преобразования : • реставрация изображения компенсирование имеющегося искажения (например, плохие условия фотосъемки); • улучшение изображения это искажение изображения с целью улучшения визуального восприятия или для преобразования в форму, удобную для дальнейшей обработки.

Компьютерная (машинная) графика (COMPUTER GRAPHICS) воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информация неизобразительной природы. Компьютерная графика - наука об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Конечным продуктом компьютерной графики является изображение. Это изображение может использоваться в различных сферах. предметом изучения Компьютерной графики является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ, В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи: • представление изображения в компьютерной графике; • подготовка изображения к визуализации; • создание изображения; • осуществление действий с изображением. Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера. Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения.

Функции графических систем qввод данных; qввод графических изображений; qобработка запросов пользователя; qпоиск и хранение данных; qреализация преобразований графической информации.

Структура системы интерактивной компьютерной графики

Интерактивная компьютерная графика – это так же использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т. е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени. САПР ГИС …

Классификации, используемые для компьютерной графики По типу изображения • Двухмерная - изображение, имеющее два измерения, т. е. лежащее на плоскости. Это основа компьютерной графики, в т. ч. и трехмерной • Трехмерная (3 D) графика – построение на компьютере с помощью специальных программ, пространственной модели, состоящей из простых и сложных геометрических форм, присвоение этой модели фактуры, цвета, степени прозрачности, матовости, придание ей и условной камере движения в виртуальном пространстве, расстановка в этом пространстве источников света, просчет выстроенной сцены.

Развитие методов ввода -вывода Векторный дисплей: Дисплейный процессор Буферная память Электронно-лучевая трубка Буфер служит для запоминания подготовленного дисплейного списка (или дисплейной программы). Дисплейная программа включает команды вывода точек, отрезков, символов. Эти команды интерпретируются дисплейным процессором, который преобразует цифровые значения в аналоговые напряжения, управляющие электронным лучом. Луч вычерчивает линии на люминофорном покрытии электронно-лучевой трубки. процесс обновления полученного изображения называется регенерацией. буфер, в котором хранится дисплейная программа, называют буфером регенерации

Интерфейс для подключения к основной ЭВМ векторного запоминающего запоминающие электронно-лучевые трубки (ЗЭЛТ): изображение запоминается путем его однократной записи на запоминающую сетку с люминофором медленно движущимся электронным лучом.

Растровая графика примитивы хранятся в памяти для регенерации в виде совокупности образующих их точек, называемых пикселами. Значения пикселов хранятся в битовой карте, которая и является дисплейной программой. Растр - это матрица пикселов, покрывающая всю площадь экрана. Все изображение последовательно сканируется около 30 раз в секунду по отдельным строкам растра в направлении сверху вниз

Достоинства растровых дисплеев: • растровая графика по сравнению с векторной легче закрашивает изображения. • процесс регенерации не зависит от сложности рисунка. Векторные дисплеи начинают мерцать, когда количество примитивов в буфере становится таким большим, что его нельзя считать и обработать за время, отведенное на считывание одного кадра; • дешевизна. Недостатки : необходимо больше памяти, так как полное изображение, состоящее из пикселов, должно храниться как битовая карта. разрешающая способность растровых графических систем пока еще ниже, чем векторных (1280 х 1024 против 4096 х 4096 пикселов) для отображения примитивов необходимо больше времени, так как в векторных дисплеях задаются две конечные точки (для отрезка), а в растровом нужно рассчитать еще и все промежуточные точки отрезка.

Классификации, используемые для компьютерной графики По способу визуализации: • Растровая – изображение представлено в виде точек. Вместе точки образуют растр. Совокупность пикселов разного цвета формирует изображение. • Векторная – изображение формируется рисованием линий (векторов) –прямых или кривых. Качество векторной визуализации обуславливается точностью вывода и номенклатурой базовых графических примитивов. • Фрактальная – изображение формируется с использованием примитивов –фракталов разной формы

Растровый способ визуализации Растр –матрица ячеек (пикселов). Каждая из которых может быть подсвечена.

Искажения растровых изображений

Разрешающая способность – количество пикселов на единицу длины dpi (dots per inch) – количество пикселов в одном дюйме длины растр Одно и то же изображение на разных растрах

Виды разрешения

Векторная графика Вид компьютерной графики, в котором изображение представляется в виде совокупности отдельных объектов, описанных математически Основной элемент изображения – линия Объем памяти, занимаемый линией, не зависит от ее размеров Точка Прямая Кривые 2 -го порядка Кривые 3 -го порядка

Получение изображения на растровом дисплее память регенерации организована в виде двумерного массива. Элемент, находящийся на пересечении строки и столбца, хранит значение яркости или цвета соответствующей точки экрана. Верхняя строка массива соответствует верхней строке растра. Регенерация изображения осуществляется последовательным сканированием буфера по строкам растра. Простой буфер регенерации содержит по 1 биту на пиксел и, определяет двухцветное (черно-белое) изображение. Задача системы вывода изображения состоит в циклическом просмотре буфера регенерации по строкам, обычно от 30 до 100 раз в секунду. Адреса памяти генерируются синхронно с координатами растра, и содержимое выбранных элементов памяти используется для управления интенсивностью электронного луча

Получение изображения на растровом дисплее Система вывода изображения на растровый дисплей Генератор растровой развертки формирует сигналы отклонения и управляет адресными Х- и У-регистрами, определяющими следующий элемент буфера регенерации.

Получение изображения на растровом дисплее В начале цикла регенерации в Х-регистр записывается 0, а в У-регистр — N – 1 (верхняя строка растра). Пока регенерируется первая строка растра, Х-адрес точки увеличивается до М - 1, при этом значение каждого пиксела извлекается из памяти и используется для управления интенсивностью электронного луча. После генерации первой строки растра в Х-адрес опять записывается 0, а У-адрес уменьшается на 1. Этот процесс продолжается до генерации последней строки растра (y = 0). По окончании сканирования растра система вырабатывает сигнал прерывания. Компьютер может произвести изменения в хранящемся в памяти изображении. Для этого у него есть время обратного хода (около 1 мс), в течение которого электронный луч перемещается из правого нижнего угла в левый верхний. Каждый полный проход сканирующего луча по экрану дает неподвижную картинку, или кадр.

Получение изображения на растровом дисплее Для получения двухцветного, изображения достаточно одного бита на пиксел. Двухцветных изображений обычно недостаточно, возникает необходимость использовать яркость (в случае двухцветного полутонового изображения) или цвет. Дополнительные возможности можно получить, храня для каждого пиксела несколько бит (два бита — четыре яркости и т. д. ). Эти биты могут использоваться для управления не только яркостью, но и цветом. включение в состав системы регенерации растровых дисплеев таблицы цветов. Значение пиксела не направляется сразу на ЦАП схемы управления яркостью, а используется как индекс в таблице цветов. Для управления яркостью или цветом применяется значение, извлеченное из таблицы по этому индексу

Получение изображения на растровом дисплее Использование таблицы цветов

Получение изображения на растровом дисплее Получение 256 цветов