Теоретичні оcнови комп ютерної графіки Викладач Співак Світлана

«Теоретичні оcнови комп’ютерної графіки» Викладач: Співак Світлана Михайлівна

Модуль 1 Теоретичні основи комп’ютерної графіки План: 1. Фундаментальні основи комп’ютерної графіки. 2. Види комп’ютерної графіки та області її застосування. 3. Категорії комп’ютерної графіки за способом задання зображення: - Двовимірна графіка: • - Растрова комп’ютерна графіка - Векторна графіка. - Фрактальна графіка - Тривимірна графіка. - CGI графика.

Комп'ютерна графіка – це прикладна область інформатики, призначена для створення, зберігання і обробки зображень за допомогою програмно-апаратних засобів обчислювальної техніки. Термін цей виник в 1965 році.

Історія появи і розвитку комп’ютерної графіки Перші обчислювальні машини не мали окремих засобів для роботи з графікою, проте вже використовувалися для отримання і обробки зображень. Програмуючи пам'ять перших електронних машин, побудовану на основі матриці ламп, можна було отримувати узори. В 1961 програміст С. Рассел очолив проект по створенню першої комп'ютерної гри "Космічні війни" з графікою. Створення гри зайняло близько 200 людино-годин. Гра була створена на машині PDP-1.

продовження В 1963 американський учений Айвен Сазерленд створив програмно-апаратний комплекс Sketchpad, який дозволяв малювати крапки, лінії та кола на трубці цифровим пером. Підтримувалися базові дії з примітивами: переміщення, копіювання та ін. По суті, це був перший векторний редактор, реалізований на комп'ютері. Також програму можна назвати першим графічним інтерфейсом, причому вона була такою ще до появи самого терміна. У середині 1960 -х рр. . з'явилися розробки в промислових додатках комп'ютерної графіки. Так, під керівництвом Т. Мофетта і Н. Тейлора фірма Itek розробила цифрову електронну креслярську машину. В 1964 р. General Motors представила систему автоматизованого проектування DAC-1, розроблену спільно з IBM.

продовження В 1968 групою під керівництвом Н. Н. Константинова була створена комп'ютерна математична модель руху кішки. Машина БЕСМ-4, виконуючи написану програму рішення диференціальних рівнянь, малювала мультфільм «Кішечка» , який для свого часу був проривом. Для візуалізації використовувався алфавітноцифровий принтер. Істотний прогрес комп'ютерна графіка зазнала з появою можливості запам'ятовувати зображення і виводити комп'ютерному дисплеї, електронно-променевої трубки. їх на

Комп'ютерна математична модель руху кішки:

Види комп’ютерної графіки та області її застосування Комп'ютерна графіка підрозділяється на: - статичну (нерухома); - динамічну (анімація, комп'ютерна мультиплікація). Залежно від колірного обхвату: - чорно-білу; - кольорову. Залежно від спеціалізації по окремих областях: - ділова, - наукова, - інженерна, - ілюстративна.

Ділова графіка застосовується для: - наочного представлення числової інформації з метою швидшого і якіснішого її сприйняття. - оформлення документації, побудови графіків, креслень, схем, підготовки наочного та ілюстративного матеріалу у формі документа на папері, на екрані, на плівці. Програмні засоби ділової графіки: – Chart-Master; - Vision; - графічні блоки офісного програмного забезпечення: MS Word, MS Excel, MS Power. Point, Paint.

Наукова графіка - - використовується в наукових дослідженнях; - виступає як засіб формування наукової документації з використанням спеціальної нотації (форми запису) – математичних знаків, індексів, шрифтів і тому подібне. До наукової графіки відносяться: засоби комп'ютерного моделювання: імітаційного, структурного та ін. (наприклад, тканин, одягу, і так далі) - це історично перше широке застосування комп'ютерної графіки; комп'ютерна томографія в медицині; засоби візуалізації будови речовини, векторних полів і інших даних в наукових дослідженнях; засоби для побудови і відображення формул на екрані; засоби побудови складних розподілів і графіків. Програмні засоби наукової графіки: – елемент MS Office – Microsoft Equation; - Case- засоби, такі як BPwin, Rational Rose, ARIS.

Інженерна графіка Існує два класи систем автоматизації проектних робіт (САПР), які виконують комп'ютеризацію креслярських і конструкторських робіт : - універсальні креслярські Сапри (Cad-системи); - спеціалізовані під певну наочну область (Cam-системи). Метою інженерної графіки є найбільш точне представлення креслення об'єкту в пам'яті комп'ютера. При цьому більша увага приділяється відповідності цього об'єкту вимогам Гостів, чим красі і ефектності відображення об'єкту. Найважливіші сфери вживання інженерної графіки: - системи автоматизації виробництва за допомогою робототехнічних систем; - системи автоматизації проектування, конструювання (літаків, автомобілів, тощо). Програмні засоби: AUTOCAD, Компас, Solid Edge, Unigraphics, Inventor та ін.

Ілюстративна графіка застосовується для створення красивих, ефектних віртуальних об'єктів. Сфера вживання ілюстративної графіки : бізнес (показ різної дисплейної техніки і її використання); мистецтво (підготовка високореалістичних сцен); засоби масової інформації (різні заставки і спецефекти на екрані, створення рекламної продукції, розробка логотипів); учбові системи; поліграфія і друкарська справа; комп'ютерний дизайн програм; web-дизайн комп'ютерних сайтів; обробка фотографій і текстів; створення анімації; створення комп'ютерних ігор.

Залежно від способу формування зображення: ü Двовимірна графіка: o растрова графіка o векторна графіка. o фрактальна графіка ü Тривимірна графіка. ü CGI графика.

Двовимірна і тривимірна графіка

Растрова графіка У растровій графіці графічне зображення нагадує мозаїку, що складається з пікселів одного розміру, які є найменшими об'єктами растрового зображення. Чим більша кількість пікселів і чим менші їх розміри, тим краще виглядає зображення. Використовується растрова графіка в поліграфічних і електронних виданнях, в Інтернеті в тих випадках, коли потрібно якісно передати повну гаму відтінків кольорів зображення. ЗОБРАЖЕННЯ В ЗВИЧАЙНОМУ МАСШТАБІ ЗОБРАЖЕННЯ В ЗБІЛЬШЕНОМУ МАСШТАБІ

Піксель – мінімальна одиниця зображення. Кожна крапка має параметри: ü координати по горизонталі і вертикалі; ü колір; ü яскравість. Кодування кольорів піксельне значення 0 − білий колір, піксельне значення 255 − чорний колір.

Терміном зображення піксель окрім позначають окремого також елементу окрему крапку растрового на екрані комп'ютера і окрему крапку на роздруку принтера. Для уточнення часто використовують терміни: ü піксель − окремий елемент растрового зображення; ü відеопіксель − найменший елемент зображення на екрані; ü крапка − найменший елемент, що створюється принтером. При цьому для зображення одного пікселя на екрані комп'ютера може бути використаний один або декілька відеопікселів.

Піксель може бути забарвлений в будь-який колір. Колір запам'ятовується в комп'ютері за допомогою комбінації бітів. Чим більше бітів для цього використовуються, тим більше відтінків кольорів має зображення. Найбільш простий тип зображення складається з пікселів, які мають два можливі кольори, – чорний і білий. Зображення, які складаються з пікселів цього вигляду, називаються однобітними. Кількість бітів, які використовуються для кодування кольору пікселя, називається бітовою глибиною (або піксельною глибиною). Якщо для зберігання інформації про колір пікселя потрібно, наприклад, 2, 3, 8 або 24 біта, то зображення називається відповідно 2 -, 3 -, 8 - або 24 х бітовим зображенням і при цьому говорять, що використовується двух-, трьох-, восьми- або 24 -х розрядна палітра.

Хай k – бітова глибина пікселя. Тоді число доступних кольорів дорівнює 2 k. Якщо бітова глибина пікселя дорівнює 1, то використовуються два кольори, якщо кількість бітів для кодування кольору пікселя дорівнює 2, то маємо 22, тобто 4 можливих кольори, і так далі.

Растрова графіка ПЕРЕВАГИ Реалістичність зображень; Природність кольорів Можливість отримання зображень за допомогою спеціальних пристроїв НЕДОЛІКИ Великий обсяг даних Пікселізація зображення при збільшенні масштабу перегляду або збільшені розміру масштабу; Складність редагування окремих елементів зображення

Роздільність растрових зображень Для растрових зображень, особливе значення має поняття роздільної здатності, що виражається кількістю пікселів (крапок) на одиницю довжини. При цьому слід розрізняти: • роздільність оригіналу; • роздільність екранного зображення; • роздільність друкарського зображення.

Роздільність оригіналу. Роздільна здатність оригіналу вимірюється в крапках на дюйм (dpi — dots per inch) і залежить від вимог до якості зображення і розміру файлу, способу оцифрування або методу створення початкової ілюстрації, вибраного формату файлу і інших параметрів.

Роздільність екранного зображення Розмір пікселя змінюється залежно від вибраної екранної роздільної здатності, роздільності оригіналу і масштабу відображення. Монітори для обробки зображень з діагоналлю 20 -21’’, як правило, забезпечують стандартні екранну роздільність 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768, 1280 x 1024, 1600 x 1200, 1600 x 1280, 1920 x 1200, 1920 x 1600 крапок. Відстань між сусідніми крапками люмінофора якісного монітора складає 0, 22 -0, 25 мм. Відмітимо, що роздільна здатність не визначається монітором взагалі. Вона визначається відеокартою і програмним забезпеченням, що працює з цим пристроєм.

Роздільність друкарського зображення і принтера Розмір точки растрового зображення на папері (плівці і т. д. ) залежить від лініатури растру. Лініатура растру – це число ліній растру на дюйм зображення (lpi lines per inch). Чим вища лініатура, тим вища роздільна здатність друку, а, отже, якісніше відтворення дрібних деталей оригіналу. Роздільність принтерів вказується в dpi (dots per inch, кількість крапок на дюйм). Роздільність цифрового зображення при обробці в програмі вимірюється в пікселях на дюйм (ppi). При друці один піксель відображається декількома крапками (dots), тому роздільність принтера в dpi зазвичай висока. В той же час, драйвер принтера приймає на обробку зображення в певній роздільності в ppi. Для різних принтерів роздільність зазвичай різна (Epson = 720 ppi, Canon = 600 ppi. )

Емпіричне правило Для екранної копії досить роздільності 72 dpi, для роздруку на кольоровому або лазерному принтері 150 200 dpi, для виводу на фотоекспонуючому пристрої 200 -300 dpi. Емпіричне правило: при роздруку величина роздільності оригіналу має бути в 1, 5 рази більше, ніж лініатура растру пристрою виводу. У випадку, якщо друкарську копію треба збільшити в порівнянні з оригіналом, ці величини слід помножити на коефіцієнт масштабування.

Векторна графіка У векторній графіці зображення будується як аплікації з окремих базових об'єктів: відрізків, кривих, прямокутників, овалів тощо. Векторні графічні зображення широко використовуються тоді, коли важливим є наявність ясних і чітких контурів: у картографії, при створенні логотипів і схем, в інженерній графіці тощо. ПРИКЛАДИ ВЕКТОРНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ІЗ РІЗНИМИ ЗНАЧЕННЯМИ ЇХНІХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Призначення векторної графіки: 1) для обробки готових малюнків і документів з метою поліпшення їх якості; 2) для створення високоякісної рекламної продукції; 3) для створення таблиць і графіків в документах; 4) для оформлення ілюстрацій до технічних книг та web-сторінок.

Векторні дані малюнка Rect, White; 1, 1, 11, Rect, Black; 2, 2, 10, Rect, White; 3, 3, 9, 9, Rect, Black; 4, 4, 8, 8, Rect, White; 5, 5, 7, 7, Rect, Black. У короткому вигляді: 0, 0, 13, R, W; 1, 1, 11, R, B; 2, 2, 10, R, W; 3, 3, 9, 9, R, B; 4, 4, 8, 8, R, W; 5, 5, 7, 7, R, B.

Векторна графіка ПЕРЕВАГИ Невеликі за розміром файли зображень; Збереження якості при масштабуванні Легкість модифікації зображень НЕДОЛІКИ Схематичність зображення Неприродність кольорів при відтворенні реальних об’єктів

Порівняння растрових та векторних зображень Векторні зображення Растрові зображення Складаються з об'єктів, описаних математично Складаються з масивів пікселів Менші обсяги файлів. Обсяг залежить не від розміру зображення, а від кількості об'єктів на ньому Більші обсяги файлів. Обсяг залежить від розміру зображення Можна збільшувати без погіршення У разі збільшення зображення якості якість погіршується Не дають змогу точно передати перехід від одного кольору до іншого Дають змогу отримати зображення фотографічної якості Застосовують для зберігання креслень, ділової графіки, шрифтів, фотографій, творів живопису, рисунків з чіткими контурами збережень елементів інтерфейсу

Фрактальна графіка Фрактал – це рисунок, який складається з подібних між собою елементів. Побудова фрактального малюнка відбувається за деяким алгоритмом або шляхом автоматичної генерації зображення. Фрактальну графіку часто використовують для графічного представлення даних при моделюванні деяких процесів, для автоматичної генерації абстрактних зображень, у розважальних програмах. Безперечною перевагою фрактальної графіки є те , що у файлі фрактального малюнка зберігаються тільки алгоритми і формули. Такі файли мають менший розмір, ніж файли з малюнками векторної і растрової графіки.

Фрактальна графіка ПЕРЕВАГИ Малі обсяги данних; Простота модифікації зображень; Можливість деталізації зображень. НЕДОЛІКИ Абстрактність зображень Необхідність використання досить складних математичних понять і формул

Тривимірна графіка вивчає прийоми і методи створення об’ємних моделей об’єктів, які максимально наближені до реальних.

Тривимірна графіка ПЕРЕВАГИ Об’ємність зображення Можливість моделювання реальних об’єктів НЕДОЛІКИ Складність створення і редагування Підвищені вимоги до апаратної складової комп’ютера

CGI ГРАФИКА CGI (англ. computer-generated imagery, букв. «зображення, згенеровані комп'ютером» ) спецефекти в кінематографі, телебаченні і симуляторах, створені за допомогою тривимірної комп'ютерної графіки. У комп'ютерних іграх зазвичай використовується комп'ютерна графіка в реальному часі, але періодично додаються й внутрішньоігрові відео, в яких використовується CGI дозволяє створювати ефекти, які неможливо отримати за допомогою традиційного гриму і аніматроніки, і може замінити декорації і роботу каскадерів і статистів.

Колірні моделі Ще одною характеристикою компютерного графічного зображення є спосіб утворення різних кольорів на основі певних базових компонентів. Ця характеристика отмимала назву “ Колірна модель”. Існує багато різних колірних моделей. Вибір тієї чи іншої з них визначається тим, де буде використовуватися дане графічне зображення. В комп’ютерній графіці найчастіше використовуються колірні моделі RGB, GMYK, HSB.

Колірна модель RGB У колірній моделі RGB будь-який колір утворюється з трьох основних компонентів : Червоного, Зеленого, Синього. Ці кольори називаються основними.

Колірна модель GMYK У цій колірній моделі базовими колірними компонентами є так звані додаткові кольорі : Блакитний, пурпурний, жовтий. Додатковими їх називають тому, що вони доповнюють основні кольори до білого : блакитний доповнює червоний, пурпурний – зелений, жовтий доповнює синій.

Колірна модель HSB У моделі HSB також використовуються 3 базових компонента : відтінок, контраст або насиченість і яскравість кольору. Відтінок кольору вказує номер кольору в спекторній панелі. Насиченість кольору характеризує його інтенсивність - чим вона більша, тим “ Чистіший ” колір. Яскравість кольору залежить від домішки чорної фарби до даного кольору – чим більше, тим яскравість кольору менша. Таким чином, можна отримувати всі кольори, які здатне сприймати око людини.

Формати графічних файлів BMP (Bitmap) GIF (Compu. Serve Graphics Interchange Format) JPEG (Join Photographic Experts Group) PNG (Portable Network Graphics) TIFF (Tagged Image File Format) Растрові формати: APNG, BMP, ECW, DRG, GIF, HDP, ICO (Windows Icon), ILBM, JPEG, MNG, PCX, PNG, PSD, TGA, TIFF, WMP, XPM. Векторні формати: Scalable Vector Graphics (SVG и SVGZ), Encapsulated Post. Script (EPS); Метафайлы Windows: WMF, EMF; Файли Corel. Draw: CDR, CMX; AI (формат), VRML. Комплексні формати: Dj. Vu, PDF.