Загрузка...

Компьютерная графика. Основные понятия.


Всю информацию, связанную с графическим изображением на мониторе, принято делить на три основных вида:

— распознавание образов;

— обработка изображений;

— компьютерная графика.

Распознавание образов — преобразование уже имеющегося изображения на формально понятный язык символов. Это совокупность методов, позволяющих получить описание изображения (подаваемого на вход) или соотнести его к некоторому классу (выявление принадлежности и степени отклонения). При этом рассматриваемое изображение часто преобразуется в абстрактное описание — набор чисел, символов или граф. Часто ставится задача идентификации структуры объекта, его “скелета”. Процесс можно представить в виде следующей схемы:

INPUT (вводимое изображение)®COMPUTER VISION (система технического зрения)®OUTPUT (выводимое символьное описание объекта и дальнейший анализ).

Обработка изображений — служит для анализа ситуаций, когда источник и цель являются изображениями. Например: передача изображений вместе с устранением шумов и сжатием данных, переход от каркасного изображения к поверхностному, изменение контраста снимка и другие модификации. Структура систем такого типа следующая:

INPUT (вводимое изображение)®IMAGING PROCESSING (процесс обработки изображения)®OUTPUT (новое преобразованное изображение)

Компьютерная графика — это способ представления информации об объектах, закономерностях и свойствах окружающего мира в виде графического изображения на экране монитора или других устройствах ввода-вывода.

Машинная графика позволяет воспроизвести изображение (на выходе), посредством обработки исходной неграфической информации. Это нужно для графической визуализации результатов эксперимента, работы программ, в компьютерных играх, создания псевдореалистического изображения по разработанному описанию. Для создания изображения требуется соблюдение необходимых правил и наличие программно-аппаратных средств. Следует выделить отдельные специализированные направления компьютерной графики, а именно:

— компьютерную живопись;

— компьютерную анимацию;

— виртуальную реальность.

Системы компьютерной графики соответствуют таким образом общей схеме:

INPUT (символьное описание)®COMPUTER GRAPHICS (преобразование средствами компьютерной графики)®OUTPUT (получаемое изображение).

Можно выделить следующие основные направления компьютерной графики:

1) иллюстративное (создание поясняющих графических дополнений, рекламных роликов, мультимедиа);

2) само развивающее (обеспечение дополнительных расширений собственных возможностей, модификация программ);

3) исследовательское (обеспечение сервисных функций при работе программ, создание графического интерфейса и пр.).

Этапы развития компьютерной графики достаточно быстро сменяли один другого. Сначала данные представлялись в виде отдельных символов, затем появилась возможность вывода и редактирования простейших рисунков, схем, диаграмм. Процесс сдерживался исключительно аппаратными возможностями систем; математическое и программное обеспечение в своем развитии ушли далеко вперед. В настоящий момент все усилия разработчиков сосредоточены на решении двух основных задач:

— придать изображению необходимую динамику;

— создать максимально возможную реалистичность.

Результат работы многих систем можно ежедневно наблюдать по телевизору на примере демонстрации рекламных роликов. Тем более кажется невероятным, что информация представлена в программном виде. Особенный интерес и удивление вызывает то, сколько людских и финансовых средств тратится на создание крохотной рекламной заставки. Для крупных анимационных сцен порой тратятся значительные суммы (для создания псевдореалистических эффектов в одной из голливудских картин 10 мин показа обошлись в $250,000). Впрочем затраты себя окупают, и способствуют развитию и совершенствованию компьютерных систем, выступая в роли стимула. Возникло большое количество специализированных программ — начиная от простейших графических редакторов (PaintBrush, Paint) и заканчивая мощными пакетами программ машинной графики (3DStudio Max, Animator Pro и др.).

Фундаментальным и конечным звеном в машинной графике является изображение. Поэтому важно знать следующие моменты:

1) виды представления изображения в машинной графике;

2) принципы подготовки изображения для визуализации;

3) “прорисовка” изображения;

4) осуществление взаимодействия с изображением (для последующего, возможного редактирования).

Большинство алгоритмов машинной графики, описывающих изображения, в качестве геометрических данных использует многоугольники и ребра. Последние, в свою очередь, описываются линейными фрагментами, и более детально — точками.

Т.о. любой образ — это совокупность определенным образом упорядоченных множеств точек. Точка — строительный элемент. Чем определяются точки?

Ответ банален (естественно не размерами) — их координатами. Например, вершины простейшего единичного квадрата в первом квадранте (согласно Эвклиду и Декарту) пространства можно представить так: P1(0,0), P2(1,0), P3(1,1), P4(0,1).

Схема построения (алгоритм) соответственно таков:

Соединить последовательно точки P1P2P3P4P1 (с помощью линий).

Единичный квадрат можно описать с помощью четырех ребер, определенных как:

E1?P1P2, E2?P2P3, E3?P3P4, E4?P4P1

и, соответственно, описание будет таково:

Изобразить последовательно ребра E1E2E3E4.

В конечном счете, если описывать квадрат, как многоугольник получим:

S1=P1P2P3P4P1=P1P4P3P2P1=E1E2E3E4.

Количество и способы задания координат точек зависят от размерности среды. Для линии — точки задаются одним параметром, для плоскости — парами координат, для пространства — тремя координатами. Например, (х1) (z3) (x1, y1) (y2, z2) (x1, y1, z1).

Две точки в состоянии определить отрезок или ребро, а совокупность из 3-х и более — многоугольник. Эти точки накапливаются и хранятся в базе данных. Причем данные, из которых получают рисунок, редко совпадают с данными, служащими непосредственно для формирования изображения. Данные, используемые для вывода изображения, называют — дисплейным файлом. В нем содержится фрагмент, вид, сцена изображения, представленного в общей базе данных. Выводимоеизображение формируется с помощью операций поворота, переноса, масштабирования и вычисления различных проекций. Как правило, для этих преобразований используют аппарат матричной алгебры (размер матриц 4х4) в однородных координатах. Эти операции часто реализуют аппаратно. Прежде чем рисовать окончательный результат, возможны операции редактирования. Добавить удаление невидимых линий или поверхностей, произвести закраску, учесть влияние прозрачности, нанести текстуру и воспроизвести цветовые эффекты. Если не надо рисовать все изображение, то следует выбрать соответствующую часть. Данный процесс называется о т с е ч е н и е м. Оно может быть двухмерным (в плоскости) или трехмерным. При трехмерном варианте отсекающее окно может иметь неровные или несимметричные границы. Для стандартных областей отсечение реализуется аппаратно. Широкое применение нашли булевы операции.

Теперь о тексте. Многие графические изображения содержат текстовую информацию. Текст определяется гарнитурой шрифта и стилем. Составные элементы шрифта (литеры) генерируются либо аппаратно, либо программным образом. Естественно, в последнем случае с ними возможны манипуляции, как с любой частью изображения. При аппаратной генерации литеры сохраняются в виде кодов до момента непосредственного вывода. Для модификации средства ограничены (смена углов наклона и коэффициентов масштабирования). Следует учесть, что отсечение аппаратно генерируемых литер невозможно — литера либо остается неизменной либо исчезает.

Поскольку любой образ в компьютерной графике — это множество точек, то имеют место два подхода к реализации изображения — векторный и растровый.

Векторный — определяет способ построения изображения из последовательности линейных фрагментов минимально возможной длины и толщины. Совокупность этих отрезков образуют не только прямые участки, но и изогнутые. В последнем случае строится конечно-элементная ломаная, которая аппраксимируется в гладкую линию. Изломы можно наблюдать при большом увеличении. Однако, при необходимости, можно произвести регенерацию и многогранность будет ликвидирована (существующие фрагменты будут разбиты на множество более мелких). Возможные ограничения — исключительно аппаратного характера.

Растровый — основан на разбиении экрана на мельчайшие светящиеся элементы матрицы pixel’s (иногда называют “пэл”, т.е. picture element). Достоинства несомненны (работа с цветом), однако существенным становится появление “эффекта ступенчатости” при большом увеличении. Последнее вызвано стабильным размером “зерна” люминофора и является одной из его характеристик.

В настоящее время появился новый тип графики, своеобразный симбиоз растра и векторных линий, т.н. гибридная (векторно-растровая) графика. Появление обусловлено необходимостью совмещения на одном растровом изображении (например — географической карте, медицинских голограммах и пр.) контурных линейных фрагментов (например — изолиний уровня, разводки трасс и пр.) и цвета. Данная область графики динамично развивается. Основные сферы применения — САПР и ГИС.

Загрузка...