Основы компьютерной графики Основные понятия Основные направления

Основы компьютерной графики

Основные понятия Основные направления обработки информации, связанные с изображениями: Средства обработки графической информации Средства компьютерной графики Средства обработки изображений Средства распознавания изображений

Основные понятия I Компьютерная графика (КГ): задача - визуализация, то есть создание изображения. Визуализация выполняется, исходя из описания (модели) того, что нужно отображать. Методы и алгоритмы визуализации: • отображение того, что может быть только в воображении человека — график функций, диаграмма, схема, карт; • имитация трехмерной реальности — изображение сцен в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования.

Основные понятия II Обработка изображений - это преобразования изображений. Задача — улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), или специальное преобразование, кардинально меняющее изображения. Методы обработки изображений: • повышение контраста, четкости, • коррекция цветов, • редукция цветов, • сглаживание, • уменьшение шумов и так далее. Методы обработки изображений могут существенно отличаться в зависимости от того, каким путем получено изображение — синтезировано системой КГ либо это результат оцифровки черно-белой или цветной фотографии.

Основные понятия III Распознавание изображений: Задача — получение описания объектов, представленных изображением. Методы и алгоритмы распознавания изображений разрабатывались прежде всего для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения, но в последнее время компьютерные системы распознавания изображений все чаще появляются в повседневной практике многих людей: офисные системы распознавания текстов, программы векторизации, создание трехмерных моделей человека. Цель распознавания может формулироваться по-разному: выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты); классификация изображений в целом (например, проверка того, есть ли это изображение определенного летательного аппарата, или установление персоны по отпечаткам пальцев).

Основные понятия Интерактивная компьютерная графика – позволяет компьютерной системе создавать графику и вести диалог с человеком. Прежде системы работали в пакетном режиме — способы диалога были неразвиты. В настоящее время почти любую программу можно считать интерактивной системой КГ.

Структура системы интерактивной компьютерной графики

Основные понятия Исторически первыми интерактивными системами считаются системы автоматизированного проектирования (САПР — английская аббревиатура CAD — Computer Aided Design), которые появились в 60 -х годах. Области применения САПР: -машиностроение (Auto. CAD, КОМПАС, Solid Works и др. ); -авиастроение и космическая техника; -автомобилестроение; -приборостроение (Or. CAD, P-CAD, Spice); -архитектура и строительство (Archi. CAD) и др.

Основные понятия Геоинформационные системы (ГИС) - это относительно новая для массовых пользователей разновидность систем интерактивной компьютерной графики. Они интегрируют методы и технологии разнообразных областей — баз данных, геодезии, картографии, космонавтики, навигации и компьютерной графики. Известны такие системы, как Arc. GIS, Auto. CAD Map, Maplnfo. Примеры отечественных систем — ГИС "ОКО", "Визиком-Киев". Области применения ГИС: -анализ и прогнозирование катастроф; -управление городским хозяйством; -справочные службы; -спутниковая GPS-навигация; -экология и др.

Основные понятия Графические системы широко используются в дизайне, рекламе: • 2 D-редакторы— Adobe Photoshop, Corel. Draw и др. ; • 3 D-пакеты Maya, 3 D Studio Max, Light Wave, Bryce 3 D и др.

Основные понятия Системы виртуальной реальности (virtual reality) позволяют создавать иллюзию вхождения человека в виртуальное пространство. Это пространство может быть моделью или существующего пространства, или выдуманного. Системы виртуальной реальности обычно используют такие устройства, как шлем-дисплей, сенсоры на всем теле человека. Компьютерные игры. Значительную роль в них играет анимация, реалистичность изображений, совершенство способов ввода-вывода информации.

Способы визуализации I. Растровый - ассоциируется с такими графическими устройствами, как дисплей, телевизор, принтер. II. Векторный используется в векторных дисплеях, плоттерах. Векторизация — преобразование из растрового в векторное описание. Растеризация — преобразование из векторного в растровое описание. Растровая визуализация основывается на представлении изображения на экране или бумаге в виде совокупности отдельных точек (пикселов). Вместе пикселы образуют растр. Векторная визуализация — это создания изображения на экране или бумаге посредством рисования сплошных линий (векторов) — прямых или кривых.

Растровые изображения и их основные характеристики Растр — это матрица ячеек (пикселов). Любой пиксел (pixel — Picture Element) имеет свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение. В зависимости от расположения пикселов в пространстве различают квадратный, прямоугольный, гексагональный или иные типы растра.

Растровые изображения и их основные характеристики Геометрические характеристики растра 1. Разрешающая способность. 2. Форма пикселов растра. 3. Количество цветов (глубина цвета)

Растровые изображения и их основные характеристики Для описания расположения пикселов используют разнообразные системы координат. Общим для всех таких систем является то, что координаты пикселов образуют дискретный ряд значений (необязательно целые числа). Часто используется система целых координат — номеров пикселов с (0, 0) в левом верхнем углу. Разрешающая способность характеризует расстояние между соседними пикселами — шаг дискретной сетки растра. Разрешающую способность измеряют количеством пикселов на единицу длины. Наиболее популярная единица измерения — dpi (dots per inch) — количество пикселов в одном дюйме длины (2. 54 см). Не следует отождествлять шаг с размерами пикселов — размер пикселов может равняться шагу, а может быть как меньше, так и больше шага.

Растровые изображения и их основные характеристики Растр

Растровые изображения и их основные характеристики Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графического вывода. Примеры показа одного и того же изображения на разных растрах

Растровые изображения и их основные характеристики Количество цветов (глубина цвета) — важная характеристика любого изображения, не только растрового. В соответствии с психофизиологическими исследованиями, глаз человека способен различать 350 000 цветов. Классификация изображений по глубине цвета: • двухцветные (бинарные) — 1 бит на пиксел. Среди двухцветных наиболее часто встречаются черно-белые изображения; • полутоновые — градации серого или другого цвета. Например, 256 градаций (1 байт на пиксел); • цветные изображения (2 бита на пиксел и больше). Глубина цвета 16 битов на пиксел (65536 цветов) получила название High Color, 24 бита на пиксел (16. 7 млн. цветов) — True Color. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета — 32, 48 и более битов на пиксел.

Растровые изображения и их основные характеристики Оценка разрешающей способности растра Глаз человека с нормальным зрением способен различать объекты с угловым размером около одной минуты. Если расстояние до объекта равно R, то можно приблизительно оценить этот размер (d. P), как длину дуги, равную R х а. Соотношение основных параметров

Цветовые модели Цвет — это один из факторов нашего восприятия светового излучения. Цветовой круг Ньютона Ньютон предположил, что определенный цвет получается путем смешивания основных цветов, взятых в определенной пропорции. Если в точках на границе цветового круга, которые соответствуют основным цветам, расположить грузы, пропорциональное количеству каждого цвета в смеси, то суммарный цвет будет соответствовать точке центра тяжести. Белый цвет соответствует центру цветового круга.

Цветовые модели Длина волны — расстояние, которое проходит волна в течение одного периода колебания. Монохроматическим называется излучение, спектр которого состоит из единственной линии, соответствующей единственной длине волны. Цвет монохроматического излучения определяется длиной волны. Диапазон длин волн для видимого света простирается от 380 -400 нм (фиолетовый) до 700 -780 нм (красный). Зависимость чувствительности человеческого зрения от длины волны светового излучения

Цветовые модели Для характеристики цвета используются следующие атрибуты: • Цветовой тон. Его можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого — например, зеленый от красного, желтого и других. • Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света. • Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет (у художников это называется "разбелом"), то получится светлый бледно-красный цвет.

Цветовые модели Однако белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие цвета называются взаимно дополнительными). Можно получить белый цвет, смешав три или более монохроматических излучений. Излучения, различные по спектру, но дающие один и тот же цвет, называются метамерными.

Цветовые модели Два спектра: а — в сплошном спектре имеется явное преобладание одной составляющей, б— в дискретном спектре две составляющие с одинаковой интенсивностью Под цветовым тоном следует монохроматического излучения, суммарному цвету смеси. понимать цвет соответствующего Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком.

Цветовые модели Законы смешивания цветов 1. Цвет — трехмерен, для его описания необходимы три компонента. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно-независимых совокупностей из трех цветов. Для любого заданного цвета (Ц) можно записать такое цветовое уравнение, которое выражает линейную зависимость цветов: Ц=к 1 Ц 1+к 2 Ц 2+к 3 Ц 3, где Ц 1, Ц 2, Ц 3 — некоторые базисные, линейно-независимые цвета, коэффициенты к 1, к 2 и к 3 указывают количество соответствующего смешиваемого цвета. Линейная независимость цветов означает, что ни один из них не может быть выражен взвешенной суммой (линейной комбинацией) двух других.

Цветовые модели Законы смешивания цветов 2. Если в смеси трех цветовых компонентов один меняется непрерывно, в то время как два других остаются постоянными, цвет смеси также изменяется непрерывно. 3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонентов и не зависит от их спектральных составов. Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонентов) может быть получен разными способами. Например, смешиваемый компонент может быть получен, в свою очередь, смешиванием других компонентов.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с помощью устройств, основанных на принципе излучения. В качестве основных цветов выбран красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Другие цвета и оттенки могут быть получены смешиванием определенного количества любого из основных цветов.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Уравнение Максвелла U=r. R+g. G + b. B, где r, g и b — количество соответствующих основных цветов. Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с помощью устройств, которые основаны на принципе излучения. В качестве основных цветов выбран красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Другие цвета и оттенки могут быть получены смешиванием определенного количества основных цветов.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Треугольник Максвелла Одинаковые значения r = g = b имеют место в центре треугольника и соответствуют белому цвету. Сумма коэффициентов равняется высоте треугольника, а при высоте, равной единице, составляет r + g + b = 1. В качестве основных цветов, Максвелл использовал излучения с такими длинами волн: 630, 528 и 457 нм.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB К настоящему времени система RGB — это официальный стандарт. Решением Международной Комиссии по Освещению — МКО ICIE — Commision International de I'Eclairage) в 1931 году были стандартизированы основные цвета, которые было рекомендовано использовать в качестве R, G и В. Это монохроматические цвета светового излучения с длинами волн соответственно: R — 700 нм, G — 546. 1 нм, В — 435. 8 нм. Красный цвет получается с помощью лампы накаливания с фильтром. Для получения чистых зеленых и синих цветов используется ртутная лампа. Также стандартизировано значение светового потока для каждого основного цвета.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Еще одним важным параметром для системы RGB является цвет, полученный после смешивания трех компонентов в равных количествах. Это белый цвет. Оказывается, для того, чтобы смешиванием компонентов R, G и В получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должны быть равными, и должны находиться в пропорции LR: LG: LB= 1: 4. 5907: 0. 0601. Если расчеты цвета делаются для источников излучения с одинаковой яркостью, то указанное соотношение яркостей можно учесть соответствующими масштабными коэффициентами.

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Черный цвет - центр координат — точка (0, 0, 0). Белый цвет— это вектор (1, 1, 1) Ц=r'R+g'G+b'B

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Колориметрический эксперимент

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB Цветовой график RGB

Цветовые модели Аддитивная цветовая модель RGB (Резюме) • Система RGB имеет неполный цветовой охват — некоторые насыщенные цвета не могут быть представлены смесью указанных трех компонентов. В первую очередь, это цвета от зеленого к синему, включая все оттенки голубого — они соответствуют левой части кривой цветового графика. Еще раз подчеркнем, что речь здесь идет о насыщенных цветах, так как ненасыщенные голубые цвета получить можно смешиванием компонент RGB. • Несмотря на неполный охват, система RGB широко используется в данное время — в первую очередь, в цветных телевизорах и дисплеях компьютеров. Отсутствие некоторых оттенков цвета не слишком заметно. • Еще одним фактором, способствующим популярности системы RGB, является ее наглядность — основные цвета находятся в трех четко различимых участках видимого спектра. • Кроме того, одна из гипотез, объясняющих цветовое зрение человека, — трехкомпонентная теория — утверждает, что в зрительной системе человека есть три типа светочувствительных элементов. Один тип элементов реагирует на зеленый, другой тип — на красный, а третий тип — на синий цвет. Такая гипотеза высказывалась еще Ломоносовым, ее обоснованием занимались многие ученые, начиная с Т. Юнга. Впрочем, трехкомпонентная теория не является единственной теорией цветового зрения человека.

Цветовые модели Цветовая модель CMY Используется для описания цвета при получении изображений на устройствах, которые реализуют принцип поглощения цветов. В первую очередь, она используется в устройствах, которые печатают на бумаге. Название данной модели состоит из названий основных субтрактивных цветов: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow)

Цветовые модели Поглощение (вычитание) цветов Нанесение желтой краски на белую бумагу означает, что поглощается отраженный синий цвет. Голубая краска поглощает красный цвет. Пурпурная краска — зеленый. Комбинирование красок позволяет получить цвета, которые остались — зеленый, красный, синий и черный. Черный соответствует поглощению всех цветов при отражении (рисунок)

Цветовые модели Субтрактивность для двух и трех красок На практике добиться черного смешиванием сложно из-за неидеальности красок, поэтому в принтерах используют еще и краску черного цвета (Blас. К). Тогда модель называется CMYK. Не всякие краски обеспечивают указанное выше вычитание цветов CMY

Цветовые модели Другие цветовые модели Модель HSV В модели HSV цвет описывается следующими параметрами — цветовой тон Н (hue), насыщенность S (saturation), яркость или светлота V (value). Значение Н измеряется в градусах от 0 до 360, поскольку здесь цвета располагаются по кругу в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (известна поговорка — каждый охотник желает знать, где сидят фазаны). Значения S и V находятся в диапазоне (0. . . 1).