Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Графика в компьютере. Виды компьютерной графики: фрактальная, растровая, векторная, трехмерная. Форматы графических данных. Цвет и цветовые модели. Видеосистема как часть компьютера. Видеокарта. Виртуальная реальность и ее создание. Тесселяция.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.09.2008 |
| Размер файла | 393,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Реферат на тему Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт).
1. Графика в компьютере
Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.
Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, - компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.
В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную.
Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.
Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.
Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.
Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию.
2. Виды компьютерной графики
2.1 Фрактальная графика
Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.
2.2. Растровая графика
Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать:
- разрешение оригинала;
- разрешение экранного изображения;
- разрешение печатного изображения.
Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch - dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.
Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть пикселом. То есть пиксел - это наименьший элемент любого изображения на экране. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения.
Мониторы для обработки изображений с диагональю 20-21 дюйм (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22-0,25 мм. Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150-200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200-300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.
Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch - Ipi) и называется линиатурой.
Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).
Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.
При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов. Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100 Ipi, для газетного производства - 65-85 lpi, для книжно-журнального - 85-133 lpi, для художественных и рекламных работ - 133-300 lpi. При печати изображений с наложением растров друг на друга, например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Традиционными для цветной печати считаются углы поворота: 105 градусов для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже недостаточно разрешения 16х150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса принято минимальное стандартное разрешение 2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку на угол поворота растра, для цветных изображений составляет 1,06.
Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания (для оригиналов, рассматриваемых “на просвет”, например слайдов) или коэффициенту отражения (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков). Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диапазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия.
Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего просмотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.
Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (рис.4). Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек
2.3. Векторная графика
Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике - линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Линия - элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно, представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.
Математические основы векторной графики
Рассмотрим подробнее способы представления различных объектов в векторной графике.
Точка. Этот объект на плоскости представляется двумя числами (х, у), указывающими его положение относительно начала координат.
Прямая линия. Ей соответствует уравнение y=kx+b. Указав параметры k и b, всегда можно отобразить бесконечную прямую линию в известной системе координат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров.
Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует для описания еще двух параметров - например, координат x1 и х2 начала и конца отрезка.
Кривая второго порядка. К этому классу кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии, уравнения которых содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка не имеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривых второго порядка. Формула кривой второго порядка в общем виде может выглядеть, например, так:
x2+a1y2+a2xy+a3x+a4y+a5=0.
Таким образом, для описания бесконечной кривой второго порядка достаточно пяти параметров. Если требуется построить отрезок кривой, понадобятся еще два параметра.
Кривая третьего порядка. Отличие этих кривых от кривых второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Например, график функции у = x3 имеет точку перегиба в начале координат (рис. 15.5). Именно эта особенность позволяет сделать кривые третьего порядка основой отображения природных объектов в векторной графике. Например, линии изгиба человеческого тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второго порядка, как и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.
В общем случае уравнение кривой третьего порядка можно записать так:
x3+a1y3+a2x2y+a3xy2+a4x2+a5y2+a6xy+a7x+a8y+a9=0.
Таким образом, кривая третьего порядка описывается девятью параметрами. Описание ее отрезка потребует на два параметра больше.
Рисунок 3 Кривая третьего порядка (слева) и кривая Безье (справа)
Кривые Безье. Это особый, упрощенный вид кривых третьего порядка (см. рис.3). Метод построения кривой Безье (Bezier) основан на использовании пары касательных, проведенных к отрезку линии в ее окончаниях. Отрезки кривых Безье описываются восемью параметрами, поэтому работать с ними удобнее. На форму линии влияет угол наклона касательной и длина ее отрезка. Таким образом, касательные играют роль виртуальных “рычагов”, с помощью которых управляют кривой.
2.4. Растровая и векторная графика
Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность цветопередачи, то предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления удобнее представлять в векторном формате. Понятно, что и в растровом и в векторном представлении графика (как и текст) выводятся на экран монитора или печатное устройство в виде совокупности точек. В Интернете графика представляется в одном из растровых форматов, понимаемых браузерами без установки дополнительных модулей - GIF, JPG, PNG.
Без дополнительных плагинов (дополнений) наиболее распространенные браузеры понимают только растровые форматы - .gif, .jpg и .png (последний пока мало распространен). На первый взгляд, использование векторных редакторов становится неактуальным. Однако большинство таких редакторов обеспечивают экспорт в .gif или .jpg с выбираемым Вами разрешением. А рисовать начинающим художникам проще именно в векторных средах - если рука дрогнула и линия пошла не туда, получившийся элемент легко редактируется. При рисовании в растровом режиме Вы рискуете непоправимо испортить фон.
Из-за описанных выше особенностей представления изображения, для каждого типа приходится использовать отдельный графический редактор - растровый или векторный. Разумеется, у них есть общие черты - возможность открывать и сохранять файлы в различных форматах, использование инструментов с одинаковыми названиями (карандаш, перо и т.д.) или функциями (выделение, перемещение, масштабирование и т.д.), выбирать нужный цвет или оттенок... Однако принципы реализации процессов рисования и редактирования различны и обусловлены природой соответствующего формата. Так, если в растровых редакторах говорят о выделении объекта, то имеют в виду совокупность точек в виде области сложной формы. Процесс выделения очень часто является трудоемкой и кропотливой работой. При перемещении такого выделения появляется «дырка». В векторном же редакторе объект представляет совокупность графических примитивов и для его выделения достаточно выбрать мышкой каждый из них. А если эти примитивы были сгруппированы соответствующей командой, то достаточно «щелкнуть» один раз в любой из точек сгруппированного объекта. Перемещение выделенного объекта обнажает нижележащие элементы.
Тем не менее, существует тенденция к сближению. Большинство современных векторных редакторов способны использовать растровые картинки в качестве фона, а то и переводить в векторный формат части изображения встроенными средствами (трассировка). Причем обычно имеются средства редактирования загруженного фонового изображения хотя бы на уровне различных встроенных или устанавливаемых фильтров. 8-я версия Illustrator'a способна загружать .psd-файлы Photoshop'a и использовать каждый из полученных слоев. Кроме того, для использования тех же фильтров, может осуществляться непосредственный перевод сформированного векторного изображения в растровый формат и дальнейшее использование как нередактируемого растрового элемента. Причем, все это помимо, обычно имеющихся конвертеров из векторного формата в растровый с получением соответствующего файла.
2.5. Трехмерная графика
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов (рис. 3). В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования - создание подвижного изображения реального физического тела.
В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:
- спроектировать и создать виртуальный каркас (“скелет”) объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;
- спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;
- присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне - “спроектировать текстуры на объект”);
- настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;
- задать траектории движения объектов;
- рассчитать результирующую последовательность кадров;
- наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.
Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и “гладкость” поверхности в целом.
После формирования “скелета” объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
- свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted);
- свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
- зеркально отраженный свет (Reflected);
- блики, то есть отраженный свет источников (Specular);
- собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Следующим этапом является наложение (“проектирование”) текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект - задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его “оживлению”, то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.
Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом. Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированных поверхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то есть создается каркасная модель. Каркасная модель визуализуется наложением поверхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объекта получается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.
Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксации реальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольных точках яркие источники света и снимают заданное движение на видео- или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер и присваивают соответствующим опорным точкам каркасной модели. В результате движения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.
Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.
Особую область трёхмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств - автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.
Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.
3. Представление графических данных
3.1. Форматы графических данных
В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом “де-факто” и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на собственные “специфические” форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в “стандартный” формат.
TIFF (Tagged Image File Format). Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла .TIF). Относится к числу широко распространенных, отличается переносимостью между платформами (IBM PC и Apple Macintosh), обеспечен поддержкой со стороны большинства графических, верстальных и дизайнерских программ. Предусматривает широкий диапазон цветового охвата - от монохромного черно-белого до 32-разрядной модели цветоделения CMYK. Начиная с версии 6.0 в формате TIFF можно хранить сведения о масках (контурах обтравки) изображений. Для уменьшения размера файла применяется встроенный алгоритм сжатия LZW.
PSD (PhotoShop Document). Собственный формат программы Adobe Photoshop (расширение имени файла .PSD), один из наиболее мощных по возможностям хранения растровой графической информации. Позволяет запоминать параметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества масок. Поддерживаются 48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели. Основной недостаток выражен в том, что отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации приводит к большому объему файлов.
PCX. Формат появился как формат хранения растровых данных программы PC PaintBrush фирмы Z-Soft и является одним из наиболее распространенных (расширение имени файла .PCX). Отсутствие возможности хранить цветоделенные изображения, недостаточность цветовых моделей и другие ограничения привели к утрате популярности формата. В настоящее время считается устаревшим.
JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения растровых изображений (расширение имени файла .JPG). Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применяемые методы сжатия основаны на удалении “избыточной” информации, поэтому формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций.
GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован в 1987 году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов (расширение имени файла .GIF). Получил популярность в Интернете благодаря высокой степени сжатия. Последняя версия формата GIF89a позволяет выполнять чересстрочную загрузку изображений и создавать рисунки с прозрачным фоном. Ограниченные возможности по количеству цветов обусловливают его применение исключительно в электронных публикациях.
PNG (Portable Network Graphics). Сравнительно новый (1995 год) формат хранения изображений для их публикации в Интернете (расширение имени файла .PNG). Поддерживаются три типа изображений - цветные с глубиной 8 или 24 бита и черно-белое с градацией 256 оттенков серого. Сжатие информации происходит практически без потерь, предусмотрены 254 уровня альфа-канала, чересстрочная развертка.
WMF (Windows MetaFile). Формат хранения векторных изображений операционной системы Windows (расширение имени файла .WMF). По определению поддерживается всеми приложениями этой системы. Однако отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение.
EPS (Encapsulated PostScript). Формат описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте в области допечатных процессов и полиграфии (расширение имени файла .EPS). Так как язык PostScript является универсальным, в файле могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты, контуры обтравки (маски), параметры калибровки оборудования, цветовые профили. Для отображения на экране векторного содержимого используется формат WMF, а растрового - TIFF. Но экранная копия лишь в общих чертах отображает реальное изображение, что является существенным недостатком EPS. Действительное изображение можно увидеть лишь на выходе выводного устройства, с помощью специальных программ просмотра или после преобразования файла в формат PDF в приложениях Acrobat Reader, Acrobat Exchange.
PDF (Portable Document Format). Формат описания документов, разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла .PDF). Хотя этот формат в основном предназначен для хранения документа целиком, его впечатляющие возможности позволяют обеспечить эффективное представление изображений. Формат является аппаратно-независимьм, поэтому вывод изображений допустим на любых устройствах - от экрана монитора до фотоэкспонирующего устройства. Мощный алгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций.
3.2. Цвет и цветовые модели
В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название - глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изображения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков (такой режим называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить 16,8 миллионов цветов (режим называют True Color). Человеческий глаз уже не с вилах определить такое количество оттенков. С увеличением количества цветов возрастает объем данных, которые должен держать в памяти компьютер. Поэтому если можно обойтись 256 оттенками цвета (режим 256 Colors), то компьютер значительно быстрее будет формировать изображения на экране.
С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие цветового охвата. Под ним подразумевается диапазон цветов, который можно воспроизвести с помощью того или иного устройства вывода (монитор, принтер, печатная машина и прочие). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании). Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующей цветовое пространство, так как из законов Гроссмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве.
Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных.
Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.
Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава. То есть цвет (С) смеси выражается суммой цветовых уравнений излучений:
C1=R1R+G1G+B1B;
C2=R2R+G2G+B2B;
Cn=RnR+GnG+BnB;
Cсумм=(R1+R2+…+Rn)R+(G1+G2+…+Gn)G+ (B1+B2+…+Bn)B.
3.2.1 Цветовая модель CIE Lab
В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I'Eclairage - международная комиссия по совещанию. L, a, b - обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (L) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.
3.2.2. Цветовая модель RGB
Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов - красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue). Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому - максимальные, с координатами (255,255,255).
3.2.3. Цветовая модель HSB
Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brigfitness). Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности - чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекрывает все известные значения реальных цветов.
Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специальные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается имитация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации.
3.2.4. Цветовая модель CMYK
Цветовая модель CMYK относится к субтрактивным, и ее используют при подготовке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полученные вычитанием основных из белого:
голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;
пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;
желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.
Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печатных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY - наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK). Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.
4. Введение в компьютерную трехмерную графику
Все мы пользуемся продуктами высоких технологий. Прогресс -- вещь замечательная. Не будь прогресса, не было бы новых интересных компьютерных игр, не смогли бы вы с легкостью работать в 2D- и 3D-редакторах. Летчики, спортсмены, моряки и т.д. не имели бы тренажеров. Такие полезные устройства, как ноутбуки и КПК, так и остались бы уделом научной фантастики. То есть компьютерная графика применяется во многих областях современной жизни, но считается, что именно развлечения (а более конкретно игры) подтолкнули человечество к такому стремительному прогрессу в этой области. Ибо игры - это то, что притягивает к себе большинство людей вне зависимости от возраста, образования, уровня жизни, профессии и т.д.
Появляется много новых понятий и терминов. Порой не успеваешь следить за всеми техническими новинками. И в какой-то момент понимаешь, что отстал от прогресса. А каково новичку, который, как в прорубь, нырнул в мир высоких технологий и буквально задохнулся от обилия непонятных, но очень умных словечек и терминов?
В самом центре технологической каши -- миллионы людей, которые плохо понимают, что же все это такое. Вроде бы они знают, что такое, например, антиалиасинг, но вот когда их спросишь об этом поподробнее, они запнутся. Ну да, это такая фишка, которая улучшает качество изображения, -- скажут многие. у а точнее -- что же это все-таки такое? А а что такое полигон?
А вы вспомните, откуда узнали о том же полигоне, о 3D-графике вообще? Был момент, когда вы всего этого не знали. Стали играть в игры, разбираться в системе… Получается, что у огромного числа компьютерщиков нет устоявшихся знаний. И такой человек, прочитав, скажем, обзор каких-нибудь новых материнских плат недоуменно пожмет плечами: “А зачем это мне? Стоит научиться разбираться в тех обрывках информации, которые вы когда-то получили от соседа или из не вселяющей доверия конференции в Сети.. Хотя бы для того, чтобы не шарахаться от разнообразных обзоров и тестов производительности и будете чуствовать себя своим в любом разговоре о компьютерных технологиях.
Практически на любом компьютере сегодня можно получить такое качество и реалистичность изображения, кторое еще лет 10 назад существовало лишь на экранах мощнейших графических станций. Стоимость этих графических станций составляла несколько сотен тысяч долларов. И вот буквально за последние годы все сильно изменилось, теперь можно любоваться ошметками монстров и адским пламенем на экране собственного монитора. При этом качество изображения гораздо выше, чем вы видите в телевизоре. Хотя в телевизоре изображение реальное, а в компьютере - смоделированное. То есть, технически говоря, видеокарты очень сильно прогрессировали.. Видеосистема - самая сложная часть персонального компьютера. Раньше по сложности она уступала только процессору, а сейчас уже процессор ей уступает.
5. Видеосистема как часть компьютера
5.1. Видеокарта
Видеокарта состоит из двух частей. Это графический процессор (самая большая микросхема видеокарты) и память. Практически это такая же память, как и оперативная. Правда, обычно она работает на большей частоте, чем оперативная (это требование графического процессора).
Сам графический процессор тоже можно разделить на две части. Каждая его часть названа по виду изображения, которое она создает. Есть часть, отвечающая за 2-мерное плоское изображение (так называемое 2D) и часть, создающая 3 -мерное изображение(3 D).
Первая часть существовала даже в самых древних видеокартах. Собственно говоря, только она там и была. И за последние годы она практически не изменилась, проблема создания хорошего плоского изображения была решена еще в 386-х компьютерах.
Главный пожиратель ресурсов видеокарты - это 3D часть графического процессора. Чтобы создать достоверное для глаза 3-мерное изображение, необходимо огромное количество вычислений. Но хотя самих вычислений много, они достаточно примитивные и однообразные и поэтому, чтобы не гонять эти данные по загруженной другими данными внутренней шине, вычисления производят в самой видеокарте, для этого и появился на ней свой собственный процессор.
Самое сложное изображение можно разделить на элементарные составные части. Этих частей для достоверного изображения должно быть огромное количество, сотни тысяч на одном экране. Поэтому решено было (производителями компьютеров) разделить процесс создания 3-мерного изображения. Центральный процессор только подает команды на создание изображения, а самим созданием занимается видеокарта. Для создания изображения требуется гораздо меньше команд, поэтому графический процессор гораздо проще по своей структуре. Но главное его достоинство - возможность выполнять большое количество операций в секунду. Чтобы еще быстрее работать и давать более 30 достоверных кадров в секунду, в графическом процессоре были организованы несколько исполняющих модулей. Модули могут параллельно выполнять команды, одновременно создавая различные части изображения. А чтобы изображение формировалось еще быстрее, модули объединяют в так называемые конвейеры, чтобы одновременно работать на разных стадиях создания изображения.
Но хотя процессор и формирует на лету элементарные фигурки, создающие реальное изображение, из этих фигурок получается только оболочка - каркас. Надо на этот каркас натянуть шкурку - текстуры, которые оживляют смоделированное компьютерное изображение. За этот реализм приходится платить немалую цену (в производительности), ведь текстуры в отличие от каркаса не смоделированы.
Текстура - это реальное изображение реальной поверхности. Текстур требуется очень много, именно на создание их идет основная часть видеопамяти. Само изображение на экране, независимо от того 2D оно или 3D, занимает в памяти одинаковый объем. А вот если не хватает памяти для текстур, то центральный процессор начинает использовать для этой цели часть своей оперативной памяти и основная внутренняя шина сильно перегружается. Следствием является дерганее экрана и прочие неприятности с изображением. Поэтому на видеокарту стараются поместить как можно больше памяти, (это сдерживается только ценой).
В первую очередь, в памяти располагается видеобуфер -- специальный участок памяти, где хранится копия изображения, которое в следующее мгновение будет выведено на экран. В видеобуфере изображение как бы собирается по кускам и отправляется на обработку в RAMDAC. В случае если применяется двойная буферизация (double buffering), в видеобуфере хранится дополнительно предыдущее (“теневое”, или “заднее”) выведенное на экран изображение (все эти специальные термины будут рассмотрены в разделе посвященном созданию трехмерного изображения).
Наш глаз обладает некоторой инерционностью, то есть некоторое время продолжает видеть изображение, которое уже исчезло. Представьте себе, что все, что рисует видеокарта в видеобуфере, мгновенно попадает на экран. Рисуем линию -- она рисуется поверх предыдущего изображения. Как бы быстро ни происходил этот процесс, глаз все равно будет замечать, что какие-то части изображения остались, какие-то изменились. Из-за этого игрок заметит крайне неприятное мелькание. Именно поэтому новый кадр сначала рисуется в теневой области видеобуфера (так называемый backbuffer), а затем этот кадр и тот, который был на экране, меняются местами. Благодаря этому создается впечатление гладкого и равномерного движения.
Сколько нужно видеопамяти для хранения одного кадра? Это легко подсчитать. Допустим, монитор находится в разрешении 1024х768 и в режиме 32 бита. Это значит, что цвет каждого пикселя определяют 32 бита, а количество всех возможных цветов -- 232 = 4 294 967 296 -- четыре с лишним миллиарда. Порог чувствительности человеческого глаза, к слову, немного ниже, то есть такая картинка будет восприниматься как абсолютно реальная (такой режим называется True Color как было отмечено ранее). В режиме 1024х768 на экране отображается 786432 пикселей. Нехитрые подсчеты показывают, что для хранения этого кадра в видеопамяти потребуется около 3 Мб. С учетом двойной буферизации получается 6 Мб. Но ведь в современном акселераторе в среднем стоит 128 Мб видеопамяти. На что же используются остальные?
Используются они в первую очередь на текстуры. Подгружать текстуры из оперативной памяти, а то и с жесткого диска в процессе рендера -- неоправданно долго. Поэтому разработчики игр специальными командами дают задание акселератору подгрузить все или хотя бы часть необходимых ему текстур во время загрузки очередной карты или уровня. Средний размер текстуры -- 1024х1024 при качестве 24 или даже 32 бита. Такая текстура будет занимать в памяти около 4 Мб. Значит, в видеопамять объемом 128 Мб влезет от силы 32 таких текстуры. Один путь -- подгружать текстуры из оперативной памяти по мере необходимости, но тогда могут случаться задержки, вызывающие падение FPS. Другой путь -- хранить текстуры в видеопамяти сжатыми, хотя бы простым алгоритмом. Одним из первых алгоритмов сжатия текстур был S3TC, разработанный в компании S3 Inc. Он стал индустриальным стандартом и поддерживается в DirectX, начиная с версии 6.0. Компания 3dfx разработала свой метод сжатия -- FXT1, который отличается высокой степенью компрессии. В настоящее время в ходу несколько конкурирующих методов сжатия. Время определит лидера.
Кроме того, в видеопамяти размещаются буферы для вспомогательных технологий: Z-буфер (о котором будет упомянуто позже), T-буфер, вспомогательные кадры для анизотропной фильтрации и ряд других. Пара слов о T-буфере. Эта технология была придумана в компании 3dfx и впервые реализована в Voodoo 5. Для одного и того же кадра в видеопамяти хранится четыре копии, немного сдвинутые друг относительно друга. После рендера они совмещаются, в результате чего края объектов немного размываются и устраняется эффект “лесенки”. T-buffer можно считать еще одной технологией антиалиасинга. Однако она еще и улучшает качество отрисовки быстро движущихся объектов за счет легкого их размытия.
За время существования видеокарт разработчики придумали большое количество типов видеопамяти. Основных подходов два: взять уже существующий тип обычной оперативной памяти или разработать что-то новое, специально “заточенное” под хранение графики. Оба подхода были востребованы в разное время и периодически сменяют друг друга. Сейчас, например, в большинстве видеокарт стоит память типа DDR, практически та же самая, что и обычная оперативная память компьютера. Другие типы видеопамяти, либо канувшие в Лету, либо по тем или иным причинам не получившие (пока) большого распространения: FPM, EDO DRAM, VRAM, WRAM, RDRAM, SDRAM, SGRAM. В профессиональных видеокартах устанавливаются специальные типы видеопамяти, которые оптимизированы под конкретные задачи, но нам они вряд ли будут интересны. Видеопамять, как и оперативная память, работает на какой-то определенной частоте. Само по себе количество видеопамяти на борту видеокарты не играет практически никакой роли. Если поставить на старенькую Riva TNT 256 Мб видеопамяти, ее производительность не увеличится ни на йоту -- она просто не сможет с дополнительной памятью полноценно работать. В видеоподсистеме все должно быть сбалансировано. Однако современные игры с гигантскими текстурами требуют в видеокартах высокого класса установки большого объема видеопамяти -- до 512 Мб.
Так как видеокарта -- это отдельное устройство, ему надо как-то общаться с окружающим компьютером. Первые видеокарты подключались к шине XT-bus через специальный слот. Ему на смену пришел слот ISA. Вскоре его скромных возможностей (16 бит, 8М Гц) стало не хватать, и IBM решила внедрить свою шину и слот для видеокарт и не только под названием MCA (Microchannel Architecture -- микроканальная архитектура). Однако затея благополучно провалилась, потому что IBM пожадничала и решила сделать эту шину лицензируемой, то есть разработчики устройств должны были выплачивать ей солидные проценты от продаж.
На смену ISA пришла шина VESA Local Bus (VLB), потом PCI и завершил это победное шествие порт AGP. Необходимость выделить под видеокарту отдельный порт назревала долго и упорно. Действительно, это устройство по требованиям к пропускной способности очень сильно отличается от всех остальных компонентов компьютера, его нельзя причесывать под одну гребенку с другими.
Идея порта AGP (Accelerated Graphics Port) пришла в голову инженерам из Intel. Она проста до гениальности: видеокарта должна иметь возможность обращаться к оперативной памяти, минуя процессор. Ничего не напоминает? По тому же самому принципу работает технология DMA, благодаря которой винчестер может общаться с оперативной памятью в обход процессора. Возможно, через несколько лет устройства и их контроллеры станут настолько умными, что им вообще для работы не нужен будет процессор. Кроме выделенного канала связи с оперативной памятью, видеокарта может также не заботиться о том, в какой именно ячейке памяти хранится нужная ему информация.
С момента своего появления на свет стандарт AGP дошел до третьей версии. Разные версии порта обозначают на манер скоростей у приводов компакт-дисков: 2x у AGP 1.0, 4x у AGP 2.0 и 8x у AGP 3.0. Получается какая-то несуразица: почему у самого первого слота AGP скорость передачи сразу 2x? А дело вот в чем. Шина AGP 1.0 имеет частоту 66 М Гц и разрядность 32 бита. Значит, скорость передачи данных -- 266 Мб/c. Однако шина может также работать в режиме, когда данные передаются и по переднему, и по заднему фронту синхросигнала, и тогда скорость передачи возрастает в два раза -- до 532 Мб/c. Отсюда приписка “2x”. В стандарте AGP 2.0 скорость передачи данных выросла еще в два раза -- до 1064 Мб/c, и появился новый механизм “быстрой записи” -- Fast Write (FW). С его помощью управляющие команды записываются напрямую в AGP-устройство. Раньше в качестве промежуточного звена использовалась оперативная память. В AGP 3.0 частота возросла до 533 М Гц, а скорость обмена данными -- до 2.1 Гб/c. В последние годы появился новый интерфейс - PCI express, PCIE -сокращенно. Эта шина полностью заиенила шину PCI в новых компьютерах. Сейчас уже сложно купить новую современную видеокарту стандарта AGP
Подобные документы
Представление графических данных. Растровая, векторная и фрактальная виды компьютерной графики. Цвет и цветовые модели: метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Основные программы для обработки растровой графики.
реферат [429,7 K], добавлен 01.08.2010Компьютерная графика как область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений на компьютере. Области применения компьютерной графики. Двумерная графика: фрактальная, растровая и векторная. Особенности трёхмерной графики.
реферат [756,4 K], добавлен 05.12.2010Компьютерная графика - область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений. Виды компьютерной графики: растровая, векторная, фрактальная. Программы для создания компьютерной анимации, область применения, форматы хранения.
реферат [29,1 K], добавлен 16.03.2010Механизм графического представления данных. Виды компьютерной графики: фрактальная, трехмерная, растровая, векторная. Разрешение экранного изображения, понятие линиатуры. Связь между параметрами изображения и размером файла. Динамический диапазон.
реферат [38,6 K], добавлен 27.12.2012Компьютерная графика как раздел информационных технологий, в котором изучают вопросы получения графических изображений с помощью компьютера. Ее классификация и типы, сравнительная характеристика, признаки: растровая, векторная, фрактальная и трехмерная.
презентация [2,0 M], добавлен 04.04.2016Виды компьютерной графики: растровая, векторная, фрактальная и трёхмерная. Основные понятия компьютерной графики. Кодирование аудиоинформации, основные аудио форматы. Смешение сигналов и видео форматы. Разработка программы построения фракталов.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 14.01.2015Виды и способы представления компьютерной информации в графическом виде. Отличительные особенности растровой и векторной графики. Масштабирование и сжатие изображений. Форматы графических файлов. Основные понятия трехмерной графики. Цветовые модели.
контрольная работа [343,5 K], добавлен 11.11.2010Суть принципа точечной графики. Изображения в растровой графике, ее достоинства. Обзор наиболее известных редакторов векторной графики. Средства для работы с текстом. Программы фрактальной графики. Форматы графических файлов. Трехмерная графика (3D).
дипломная работа [764,7 K], добавлен 16.07.2011Средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники. Растровая, векторная, трёхмерная и фрактальная графика, отличия принципов формирования изображения при отображении на экране монитора. Програмные средства.
реферат [436,4 K], добавлен 26.03.2010Основные виды компьютерной графики. Достоинства и недостатки векторной графики. Сущность понятия "коэффициент прямоугольности пикселей". Математическая основа фрактальной графики. Сущность понятий "фрактал", "фрактальная геометрия", "фрактальная графика".
контрольная работа [20,6 K], добавлен 13.07.2010
