Основы компьютерной графики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерная графика - это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ, т.е. это раздел информатики, который занимается проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:

- представление изображения в компьютерной графике;

- подготовка изображения к визуализации;

- создание изображения;

- осуществление действий с изображением.

Интерактивная компьютерная графика - это так же использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени.

Итак, под растровым (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселей) различных цветов или оттенков. Это наиболее простой способ представления изображения, ибо таким образом видит наш глаз.

Достоинством такого способа является возможность получения фотореалистичного изображения высокого качества в различном цветовом диапазоне. Недостатком - высокая точность и широкий цветовой диапазон требуют увеличения объема файла для хранения изображения и оперативной памяти для его обработки.

Для векторной графики характерно разбиение изображения на ряд графических примитивов - точки, прямые, ломаные, дуги, полигоны. Таким образом, появляется возможность хранить не все точки изображения, а координаты узлов примитивов и их свойства (цвет, связь с другими узлами и т.д.).

Растровые и векторные изображения

Все изображения, с которыми работают программы машинной графики, разделяются на два класса: растровые и векторные. В терминологии машинной графики (отрасли практической информатики, занимающейся автоматизацией построения изображений и их обработки с помощью компьютеров) растровые или точечным изображением принято называть массив пикселов - одинаковых по размеру и форме плоских геометрических фигур (чаще всего - квадратов или кругов), расположенных в узлах регулярной (то есть состоящей из ячеек одинаковой формы и размера) сетки.

Векторным изображением в компьютерной графике принято называть совокупность более сложных и разнообразных геометрических объектов.

Contone - пропорциональное управление цветом, при этом заряд на фотоцилиндре как-то зависит от экспозиции и принимает на себя определённое количество тонера. Метод применяется в обычных копировалках типа Ксерокса, крайне чувствителен к температуре, влажности, присутствию в воздухе окислов азота, дыма и пр. веществ, концентрация которых может неконтролируемо изменяться.

Line - растрирование, основанное на использовании линейчатого растра. Практически не даёт муара между красками, относительно стабилен в отношении факторов, названных выше. Недостаток (оно же помогает избежать муара) - каждая краска рисуется полосками с определённым углом. Это влияет на отображение линий с плавным изгибом и может вызвать сюжетный муар в виде крупных полосок и асимметричную «покоцанность» плавных границ. Ещё один недостаток такого растрирования - снижение чистоты цвета, начинающееся уже в процентных бинарах (сочетаниях по два цвета - синий, зелёный, красный).

Dot - рисует изображение привычным типографским растром. Не вызывает снижение чистоты цвета в процентных бинарах потому, что точки красителя в светах не накладываются друг на друга или накладываются мало. В некоторых случаях в тёмных зонах возможно возникновение муара из-за ограниченного разрешения системы засветки фотоцилиндров (и из-за неудачного инженерного решения) и использования Output профилей со слабым вычитанием цвета в тенях. На фотонаборах это решается благодаря использованию фирменных халфтонингов и высокому разрешению ФНА (более 1800 dpi). О сложности проблемы подавления муара говорит хотя бы тот факт, что для флексопечати на разрешении 2400 dpi можно нарисовать линиатуру 155, но не 150. К тому же фотонабор может нарисовать разные варианты растра из пятен минимального размера (для 2400 пятно будет размером 25,4/2400=10,6 мкм), а у цифровой машины есть только возможность светить точки растровой сетки, меняя мощность луча и, таким образом, диаметр точки. Соответственно различные машины могут использовать фирменные алгоритмы для рисования растра (небольшое взаимное смещение растровых сеток при засветке фотоцилиндров лазером, индивидуальное масштабирование и пр.), но количество наворотов, которые не видны рядовому пользователю, приносят результаты, что обычно отражается на цене машины.

Геометрические фракталы. Фракталы этого класса самые наглядные.

В двухмерном случае их получают с помощью ломаной (или поверхности в трехмерном случае), называемой генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную - генератор в соответствующем масштабе. В результате бесконечного повторения этой процедуры получается геометрический фрактал

Алгебраические фракталы. Это самая крупная группа фракталов.

Получают их с помощью нелинейных процессов в n-мерных пространствах.

Наиболее изучены двухмерные процессы. Интерпретируя нелинейный итерационный процесс, как дискретную динамическую систему, можно пользоваться терминологией теории этих систем: фазовый портрет, установившийся процесс, аттрактор и т.д. Известно, что нелинейные динамические системы обладают несколькими устойчивыми состояниями.

То состояние, в котором оказалась динамическая система после некоторого числа итераций, зависит от ее начального состояния. Поэтому каждое устойчивое состояние (или как говорят - аттрактор) обладает некоторой областью начальных состояний, из которых система обязательно попадет в рассматриваемые конечные состояния. Таким образом фазовое пространство системы разбивается на области притяжения аттракторов. Если фазовым является двухмерное пространство, то окрашивая области притяжения различными цветами, можно получить цветовой фазовый портрет этой системы (итерационного процесса). Меняя алгоритм выбора цвета, можно получить сложные фрактальные картины с причудливыми многоцветными узорами. Неожиданностью для математиков стала возможность с помощью примитивных алгоритмов порождать очень сложные нетривиальные структуры.

Стохастические фракталы. Ещё одним известным классом фракталов являются стохастические фракталы, которые получаются в том случае, если в итерационном процессе хаотически менять какие-либо его параметры.

При этом получаются объекты очень похожие на природные - несимметричные деревья, изрезанные береговые линии и т.д. Двумерные стохастические фракталы используются при моделировании рельефа местности и поверхности моря.

Существуют и другие классификации фракталов, например деление фракталов на детерминированные (алгебраические и геометрические) и недетерминированные (стохастические).

Графические примитивы это заранее определенные элементы, которые можно поместить в чертеж при помощи одной команды. Каждый графический примитив формируется на основании геометрического описания объекта.

Ахроматические (бесцветные) цвета отличаются один от другого только по яркости, т.е. они отражают разное количество падающего на них света. Например, белые поверхности и предметы отражают 70 - 90% падающего на них света, а черные - 3-4%.

Между самыми яркими - белыми - и самыми темными - черными поверхностями имеются различные оттенки серого цвета: светло-серые с коэффициентом отражения 50-60%, темно-серые с коэффициентом отражения 15-20%. Человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков.

Хроматические цвета - это те цвета и их оттенки, которые мы различаем в спектре (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Хроматический цвет определяется тремя физическими понятиями: цветовой тон, насыщенность и яркость.

Существует много цветовых моделей, но все они принадлежат к одному из трех типов:

- психологические (по восприятию);

- аддитивные (основанные на сложении);

- субтрактивные (основанные на вычитании).

При обработке изображений при подготовке к печати имеют дело с тремя цветовыми моделями: CIE Lab - психологическое цветовое пространство, RGB - аддитивное цветовое пространство и CMYK - субтрактивное цветовое пространство.

Любое преобразование цвета из одного пространства в другое влечет за собой потерю данных о цвете в изображении.

Аддитивная модель цвета RGB

Данная модель является «естественным языком» цвета для электронных устройств ввода изображения (мониторы, сканеры, цифровые камеры), в которых воспроизведение цвета основано на излучении или пропускании света, а не на его отражении от подложки при создании изображения.
Аддитивной она называется потому, что цвета в ней генерируются суммированием световых потоков. Сумма красного, зеленого и синего цветов максимальной одинаковой интенсивности дает белый цвет.

Субтрактивная модель цвета CMYK

В данной модели цвета при смешивании двух или более основных красок дополнительные цвета получаются посредством поглощения одних световых волн спектра белого цвета и отражения других. Так, голубая краска поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий, а желтая поглощает синий цвет и отражает красный и зеленый.

В аддитивной модели RGB световые потоки суммируются, производя более яркие цвета, а в субтрактивной модели CMYK световые потоки вычитаются, генерируя более темные цвета. Если учесть светонепроницаемость бумаги, которая скорее отражает свет, чем пропускает его, то становится понятно, почему такие яркие цвета в изображении на мониторе становятся темными и унылыми в отпечатанном виде.

CMYK - cyan (голубой), magenta (пурпур), yellow (желтый), black (черный).

Под калибровкой обычно понимают настройку параметров устройства в соответствии с некоторым эталоном. В издательских системах принято калибровать монитор под печать. Калибровка монитора состоит из двух этапов - линеаризации и настройки под технологический процесс.

Линеаризация - это приведение градационной характеристики монитора к линейному виду, т.е. чтобы данные от видеокарты отображались без тональных и цветовых искажений. Линеаризацию монитора можно провести с помощью утилиты Adobe Gamma.

Для регулировки общего тона экрана служит поле (6) или гамма. Эта гамма не имеет отношения к линеаризации, а настраивает средний тон монитора под конкретный тип печати.

GIF

GIF (Graphics Interchange Format) - формат графических файлов, широко применяемый при создании сайтов. GIF использует 8-битовый цвет и эффективно сжимает сплошные цветные области, при этом сохраняя детали изображения.

JPEG

JPEG ((Joint Photographic Experts Group) - популярный формат графических файлов, широко применямый при создании сайтов и хранения изображений. JPEG поддерживает 24-битовый цвет и сохраняет яркость и оттенки цветов в фотографиях неизменными. Данный формат называют сжатием с потерями, поскольку алгоритм JPEG выборочно отвергает данные. Метод сжатия может внести искажения в рисунок, особенно содержащий текст, мелкие детали или четкие края. Формат JPEG не поддерживает прозрачность. Когда вы сохраняете фотографию в этом формате, прозрачные пиксели заполняются определенным цветом.

PNG-8

PNG-8 (Portable Network Graphics) - формат по своему действию аналогичен GIF. По заверению разработчиков использует улучшенный формат сжатия данных, но как показывает практика, это не всегда так

PNG-24

PNG-24 - формат, аналогичный PNG-8, но использующий 24-битную палитру цвета Подобно формату JPEG, сохраняет яркость и оттенки цветов в фотографиях. Подобно GIF и формату PNG-8, сохраняет детали изображения, как, например, в линейных рисунках, логотипах, или иллюстрациях

Простейшие методы обработки изображений

Часто в компьютерной графике возникает задача обработки изображений. Обработка, как правило, заключается в наложении на изображение каких-либо эффектов - это размытие, резкость, деформация, шум и т.д., а также в регулировке уровня яркости и контраста.

Яркость и контраст

По аналогии с терминами теории вероятностей можно отметить, что яркость представляет собой как бы математическое ожидание значений выборки, а контраст - дисперсию значений выборки.

Яркость и контраст могут рассматриваться не только для всего изображения, но и для отдельных фрагментов. Таким образом, возникают понятия локальной яркости и локального контраста.

графика растровый векторный компьютерный

Размещено на Allbest.ru