Національна академія СБ України Козюра В. Д. Лекція 18. ОСНОВИ КОМП'ЮТЕРНОЇ ГРАФІКИ МОДУЛЬ 5. Графічні програмні системи ТЕМА 15. Програми роботи з растровою графікою Київ – 2011
Зміст: 1. Види комп'ютерної графіки 2. Представлення графічних даних ЛІТЕРАТУРА 1. Інформатика. Комп’ютерна техніка. Комп’ютерні технології: Підручник. 2 -ге вид. – К. : Каравела, 2008. с. 480 -486. 2. Информатика. Базовый курс. Учебник для ВУЗов. 2 е издание / Под ред. С. В. Симоновича. – СПб. : Питер, 2005. с. 398 -424.
Компьютерная графика – специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. Охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком на экране монитора или в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Цель лекции – изучение основных понятий компьютерной графики, а также методов представления графических данных
1. Виды графических данных Компьютерная графика (машинная графика) — графика область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для создания изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Немного истории: q Первые ЭВМ не имели средств для работы с графикой, однако использовались для получения и обработки изображений. q В 1961 г. создается первая компьютерная игра с графикой "Space war!" ( «Космические войны» ). q В 1963 г. А. Сазерленд (США) создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. q В 1968 г. группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки, использованная в мультфильме «Кошечка» .
Основные области применения К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся: q Графический интерфейс пользователя; q Спецэффекты, цифровая кинематография; q Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции; q Цифровая фотография; q Цифровая живопись; q Визуализация научных и деловых данных; q Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры); q Системы автоматизированного проектирования; q Компьютерная томография; q Лазерная графика.
Виды компьютерной графики Способ задания изображений Двумерная графика 2 D Трехмерная графика 3 D Анимационная графика CGI Тип представления графической информации Растровая графика Векторная графика Фрактальная графика
Растровая графика Растровое изображение — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или пикселей точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика цифровой фото- и видеоаппаратурой, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, а также путем экспорта из векторного редактора или в виде скриншотов.
Достоинства растровой графики: Ш позволяет воспроизвести практически любой рисунок, вне зависимости от сложности; Ш распространённость — используется практически везде: от маленьких значков до плакатов; Ш высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование. Ш растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации (мониторы, матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры). Недостатки растровой графики: Ш большой размер файлов с простыми изображениями; Ш невозможность идеального масштабирования; Ш невозможность вывода на печать на плоттер.
Характеристики растровой графики 1. Разрешение — величина, определяющая количество точек (пикселей) на единицу площади. Более высокое разрешение означает более высокий уровень детализации. Разрешение растровых изображений выражается в виде двух целых чисел, определяющих размеры изображения в пикселях по горизонтали и вертикали, например: 1600× 1200. В итоге изображение состоит из 1 920 000 точек. Большинство форматов графических файлов позволяют хранить данные о разрешении в dpi (dots per inch – точек на дюйм). dpi Различают: Ш разрешение оригинала – измеряется в dpi; dpi Ш разрешение экранного изображения – измеряется в ppi (pixels per inch ppi — количество пикселей на дюйм); Ш разрешение печатного изображения – измеряется в lpi (lines per inch — lpi количество линий на дюйм).
Под разрешением экрана монитора понимают монитора размеры изображения в пикселах: 800× 600, 1024× 768, 1280× 1024, 2560× 1600 и т. д. Для экранных копий изображения элементарная точка растра называется пикселем, размер которого варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения, разрешения оригинала и масштаба отображения. Пиксель (picture cell – элемент изображения) — единица Пиксель измерения разрешения экрана, соответствующая отдельной светящейся точке, цветом и яркостью которой компьютер может управлять. Пиксельные триады: расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0, 22 -0, 25 мм
2. Динамический диапазон описывает соотношение диапазон между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света. Оценивается по формулам: F 0 — падающий световой поток, F — отраженный световой поток, F — пропущенный световой поток. Для оптических сред, пропускающих свет, D = 0. . 4. Для поверхностей, отражающих свет, D = 0. . 2. Чем выше D, тем большее число полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия.
Одним из недостатков растровой графики является пикселизация изображений пикселизация при их увеличении. Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию.
Векторная графика — способ представления сложных объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании геометрических примитивов: точки, линии, сплайны и многоугольники, которые описываются математически. Основной объект векторной графики — линия, которая линия обладает свойствами: Ш формой (прямая, кривая), Ш толщиной, Ш цветом, Ш начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения (текстуры, карты, выбранным цветом).
Примеры объектов векторной графики Эти линии по внешнему виду непохожи, но это одинаковые объекты, различающиеся лишь свойствами (параметрами). Прямоугольник можно рассматривать как один объект (замкнутый контур), если объединить объекты-линии, входящие в него. Изображение куба можно рассматривать как один сложный объект, который образуют 6 замкнутых контуров или 12 прямых линий Замкнутые контуры могут обладать заполнением, в качестве которого может быть выбрана цветная краска или регулярная текстура, а также растровые изображения, называемые картой.
Способы представления различных объектов в векторной графике Представление точки, отрезка и прямой линии Представление кривой второго порядка
Кривые третьего порядка могут иметь точки перегиба. Кривые Безье – это особый, упрощенный вид кривых третьего порядка
Кривые Безье - параметрические кривые, Безье разработанные в 60 -х годах XX в. Пьером Безье из автомобилестроительной компании «Рено» и Полем де Кастельжо из компании «Ситроен» , где они применялись для проектирования кузовов автомобилей. Описываются выражением Pi — функция компонент векторов опорных вершин; базисные функции кривой Безье. —
Виды кривых Безье 1. Линейная кривая. При n = 1 кривая представляет собой отрезок прямой линии, опорные точки P 0 и P 1 определяют его начало и конец. Кривая задаётся уравнением: Параметр t определяет, где именно на расстоянии от P 0 до P 1 находится B(t). Например, при t = 0, 25 значение функции B(t) соответствует четверти расстояния между точками P 0 и P 1. Параметр t изменяется от 0 до 1, а B(t) описывает отрезок прямой между точками P 0 и P 1.
2. Квадратичная кривая (n = 2) задаётся 3 -мя опорными точками: P 0, P 1 и P 2. Требуется выделить две промежуточных точки Q 0 и Q 1: q Q 0 изменяется от P 0 до P 1 и описывает линейную кривую; q Q 1 изменяется от P 1 до P 2 и также описывает линейную кривую Безье; q точка B изменяется от Q 0 до Q 1 и описывает квадратичную кривую Безье.
3. Кубическая кривая (n = 3) задаётся 4 -мя опорными точками: P 0, P 1, P 2, P 3. Линия берёт начало из точки P 0 направляясь к P 1 и заканчивается в точке P 3 подходя к ней со стороны P 2. То есть кривая не проходит через точки P 1 и P 2, они используются для указания её направления. Длина отрезка между P 0 и P 1 определяет, как скоро кривая повернёт к P 3.
Преимущества векторного способа описания графики над растровой графикой 1. Размер, занимаемой описательной частью, не зависит от реальной величины объекта, что позволяет, используя минимальное количество информации, описать сколь угодно большой объект файлом минимального размера. 2. В связи с тем, что информация об объекте хранится в описательной форме, можно бесконечно увеличить графический примитив и он останется гладкой. 3. Параметры объектов хранятся и могут быть легко изменены. Это означает что перемещение, вращение, масштабирование, заполнение и т. д. не ухудшат качества рисунка. 4. При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может быть задана постоянной величиной, независимо от реального контура.
Недостатки векторной графики 1. Не каждый объект может быть легко изображен в векторном виде — для подобного оригинальному изображению может потребоваться очень большое количество объектов и их сложности, что негативно влияет на количество памяти, занимаемой изображением, и на время для его отображения (отрисовки). 2. Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного пути, как правило, нет — трассировка растра, при том что требует значительных вычислительных мощностей и времени, не всегда обеспечивает высокого качества векторного рисунка.
Фрактальная графика Фрактал (лат. fractus — дробленый, сломанный, Фрактал разбитый) — сложная геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, т. е. составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Цветная капуста Фрактальное дерево Множество Мандельброта
Рекурсивная процедура получения фрактальных кривых на плоскости: 1. Задаем произвольную ломаную с конечным числом звеньев, называемую генератором. 2. Далее, заменим в ней каждый отрезок генератором (точнее, ломаной, подобной генератору). 3. В получившейся ломаной вновь заменим каждый отрезок генератором. 4. Продолжая до бесконечности, в пределе получим фрактальную кривую. Кривая Минковского Кривая Коха
Дерево Пифагора Множество Мандельброта Множество Жюлиа Фракталы Ньютона
2. Представлення графічних даних Форматы графических данных Графический формат — это способ записи графической информации. Графические форматы файлов предназначены для хранения изображений, таких как фотографии и рисунки. Растровые форматы: q BMP (Bitmap Picture – битовая карта изображения) ( q GIF (Graphics Interchange Format – формат обмена изображениями) q JPEG (Joint Photographic Experts Group) q PCX (PC е. Хchange) q PNG (Portable Network Graphics – переносимая сетевая графика) q PSD (Photo. Shop Document – документ Фотошоп) q TIFF (Tagged Image File Format – теговый формат файлов изображений) q PCD (Photo. CD)
Векторные форматы: q SVG (Scalable Vector Graphics — масштабируемая векторная графика) q WMF (Windows Meta. File – метафайл Windows) q EPS (Encapsulated Post. Script – встроенный Post. Script) q CDR q AI Комплексные форматы: q PDF (Portable Document Format – переносимый формат документа) q Dj. Vu (déjà vu — «уже виденное» ) q CGM (Computer Graphics Metafile – метафайл компьютерных графиков)
Понятие цвета Свет, как физическое явление, представляет собой поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм ((1 нм = 10 -9 м – одна миллиардная часть метра). Цвет – это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета.
Глаз человека Количество колбочек - 6 -7 млн. Количество палочеки - 75150 млн. Интегральная кривая спектральной чувствительности глаза
Кривые чувствительности различных рецепторов
Кодирование графических данных (одной точки): q 1 бит: 0 – черный; 1 – белый – кодирование черно-белых изображений. q 1 байт = 8 бит: 28=256 цветов от 0000 до 1111 – рисованные мультфильмы. q 2 байта = 16 бит: 216=65536 цветов – фотографии, цветные журналы. q 3 байта = 24 бита: 224 16, 5 млн. цветов – живая природа (такой режим называется полноцветным - True Color) RGB-схема аддитивного смешивания цветов: Red - красный, Green - зеленый, Blue – синий.
CMYK-схема кодирования цветов (используется в полиграфии для печатания цветных материалов) - основана на принципе декомпозиции дополнительных цветов. Дополнительным называется цвет, который дополняет основной цвет до белого: Голубой (Cyan) = Белый – Красный = Зеленый + Синий = (0, 255); q Пурпурный (Magenta) = Белый – Зеленый = Красный + Синий = (255, 0, 255); q Желтый (Yellow) = Белый – Синий = Зеленый + Синий = (255, 0); q Черный (blac. K) = (0, 0, 0).
Выводы 1. Основными видами компьютерной графики являются: растровая, векторная и фрактальная графика. 2. Наименьший элемент растровой графики — это точка (на бумаге) или пиксель (на экране). В файле изображения хранятся данные о координатах и цветах каждой точки изображения. 3. Наименьшим элементом векторной графики является линия (вектор). Векторная графика объектноориентирована. Из простейших объектов создают более сложные, которые затем используют как элементы еще более сложных объектов, и т. д.
4. Фрактальная графика вычисляемая. Изображение строится по формуле. В памяти компьютера хранится не изображение, а только формула, с помощью которой можно получить бесконечное количество различных изображений. 5. Основными недостатками растровой графики являются большие размеры файлов и невозможность масштабирования изображений (увеличения или уменьшения) без изменения данных. Векторная графика свободна от этих недостатков, но ее слабым местом является сложность создания художественных иллюстраций, поэтому средства векторной графики применяют для оформительских и чертежных работ.
6. Основными понятиями, связанными с цветом, являются цветовое разрешение (глубина цвета) и цветовая модель. Цветовое разрешение определяет максимальное количество цветов, которые могут быть воспроизведены одновременно. 7. Цветовая модель определяет способ разделения сложных цветовых оттенков на составляющие компоненты. В модели RGB в качестве компонентов применяют основные цвета: красный, зеленый и синий. В модели CMYK в качестве элементарных компонентов применяют дополнительные цвета: голубой, пурпурный, желтый. Дополнительно к ним отдельно рассматривают черный компонент.
Скачать презентацию Національна академія СБ України Козюра В Д Лекція
Лекция 18 - Основы компьютерной графики.ppt