Разновидности компьютерной графики

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1.  Основные понятия………………………………………………….……………….6

1.1 Разновидности компьютерной графики…………………………………………... 7

Полиграфия………………………………………………………………...…..... 8

Мультимедиа…………………………………………………………….............. 8

World Wide Web (WWW)………………………………………………………..9 3D-графика и компьютерная анимация………………………………………...9 САПР и деловая графика………………………………………………………...9 Геоинформационные системы (ГИС)…………………………………….……10

1.2. Принципы организации графических программ…………………………….... 11

Растровые программы………………………………………………………….11

Векторные программы…………………………………………………………12 Фрактальные программы………………………………………………………12

Глава 2. Координаты и преобразования…………………………………………………...13

2.1 Координатный метод………………………………………………………………13

2.1.1. Преобразование координат……………………………………………...13 Простейшие двумерные преобразования……………………………..14 Однородные координаты и матричное представление двумерных преобразований…………………………………………………………16 Композиция двумерных преобразований……………………………..17 Матричное представление трехмерных преобразований …………...19 Композиция трехмерных преобразований…………………………….21 Преобразование объектов………………………………………………23 Преобразование как изменение систем координат…………………...23

2.1.2 Аффинные преобразования на плоскости………………………………24

Трехмерное аффинное преобразование……………………………….26 2.2 Проекции…………………………………………………………………………….27

2.2.1 Мировые и экранные координаты……………………………………….27

2.2.2 Основные типы проекций………………………………………………...28

Глава 3.  Растровая графика. Базовые растровые алгоритмы……………………… 37

3.1 Растровые изображения и их основные характеристики………………………...37

3.2 Вывод изображений на растровые устройства…………………………………...39

3.3 Методы улучшения растровых изображений…………………………………….41

3.4 Базовые растровые алгоритмы…………………………………………………….48 Алгоритмы вывода прямой линии…………………………………………….48 Инкрементные алгоритмы……………………………………………………...50 Кривая Безье……………………………………………………………….……51 Алгоритмы вывода фигур……………………………………………………...52 Алгоритмы закрашивания……………………………………………………...53 Стиль заполнения……………………………………………………………….56

3.5 Инструменты растровых графических пакетов…………………………………..65

Инструменты выделения. Каналы и маски……………………………………65 Выделение……………………………………………………………………….66 Инструменты выделения и маскирования…………………………………….66 Ретушь………………………………………………………………………...…67 Гистограммы…………………………………………………………………….68 Тоновая коррекция изображения…………………………………………...….69 Уровни (Levels)…………………………………………………………………70 Кривые…………………………………………………………………………..71 Цветовая коррекция и цветовой баланс…………………………………….…73

Abkmnhs (Plug-ins) b cgtw’aatrns (Effects)…………………………………….73 Слои……………………………………………………………………………..76

3.6 Преимущества и недостатки растровой графики………………………………...76

Глава 4. Векторная графика…………………………………………………………….…..78

4.1 Средства создания векторных изображений…………………………………….78

4.2 Сравнение механизмов формирования изображений в растровой и векторной графике………………………………………………………………………………………….80

4.3 Структура векторной иллюстрации…………………………………………….…80

4.4 Математические основы векторной графики………………………………….….82

4.5 Элементы (объекты) векторной графики……………………………………….…83

4.6 Достоинства и недостатки векторной графики……………………………….….89

Глава 5. Фрактальная графика……………………………………………………………..91

5.1 Математика фракталов. Алгоритмы фрактального сжатия изображений……...92

5.2 Обзор основных фрактальных программ………………………………………. . 95

Глава 6.  Цветовые модели компьютерной графики………………………………….…97

6.1 Элементы цвета………………………………………………………………….…97

6.1.1 Свет и цвет…………………………………………………………….….97

6.1.2 Физическая природа света и цвета……………………………………...98

6.1.3 Излученный и отраженный свет……………………………………..….99

6.1.4 Яркостная и цветовая информация…………………………………... 100

6.1.5 Цвет и окраска……………………………………………………….…..101

6.2 Характеристики источника света…………………………………………..…….103 6.2.1 Стандартные источники……………………………………………..….103

6.2.2 Особенности восприятия цвета человеком………………………...…..103 Колбочки и палочки………………………………………………...…104 Спектральная чувствительность глаза к яркости………………..…..105 Спектральная чувствительность наблюдателя……………….……...106

6.3 Цветовой и динамический диапазоны……………………………………….…..107

6.4 Типы цветовых моделей…………………………………………………………..109

6.4.1 Аддитивные цветовые модели……………………………………….…109

RGB – модель……………………………………………………….….111 Почему RGB-модель нравится компьютеру?............................................................. 114

Ограничения RGB-модели……………………………………………116 sRGB — стандартизированный вариант RGB-цветового

пространства………………………………………………………..…117

6.4.2 Субтрактивные цветовые модели……………………………………...117

Цветовая модель CMY………………………………………………...118 CMY и CMYK……………………………………………………….…119 Ограничения модели CMYK…………………………………….……120 Возможности расширения цветового охвата CMYK…………….….121

6.4.3 Перцепционные цветовые модели………………………………….…..122 Достоинства и ограничения HSB-модели……………………………126

6.4.4 Системы соответствия цветов и палитры…………………………...…126 Системы соответствия цветов………………………………………...126

Назначение эталона………………………………………………...….127 Кодирование цвета. Палитра………………………………………........................... 128

6.4.5 Триадные и плашечные цвета………………………………………..…129 6.4.6 Цветовые режимы…………………………………………………….…132

Глава 7. Методы и алгоритмы построения сложных трехмерных объектов…….... 137

7.1 Модели описания поверхностей………………………………………………….137

7.1.1 Аналитическая модель………………………………………………..…137

7.1.2 Векторная полигональная модель………………………………….…..139

7.1.3 Воксельная модель………………………………………………………141

7.1.4 Равномерная сетка……………………………………………………….142

7.1.5 Неравномерная сетка. Изолинии……………………………………….144

7.2 Визуализация трехмерных объектов……………………………………………..146

7.2.1 Каркасная визуализация…………………………………………...……147

7.2.2 Показ с удалением невидимых точек…………………………………..147 Глава 8.  Реалистическое представление сцен…………………………………………...1548.1 Закрашивание поверхностей……………………………………………………...154

8.1.1 Модели отражения света………………………………………………..154

8.1.2 Вычисление нормалей и углов отражения…………………………….156 8.2 Метод Гуро……………………………………………………………………...…160

8.3 Метод Фонга………………………………………………….………………...….161

8.4. Имитация микрорельефа…………………………………………………………162

8.5 Трассировка лучей…………………………………………………………...……164

8.6 Анимация……………………………………………………………………….….172

Глава 9.  Архитектуры графических систем …………………………………………. 181

9.1 Суперстанции……………………………………………………………...………181

9.2 Компоненты растровых дисплейных систем…………………………………. 181

9.3 Подходы к проектированию графических систем………………………………181

9.4 Графические системы на базе сопроцессора i82786………………………….... 182

9.5 Графические системы из набора сверх больших интегральных схем (СБИС)..183

9.6 Растровый графический процессор DP-8500…………………………………. 184

9.7 Графические системы на универсальном процессоре………………………..…185

9.8 Высокоскоростные графические системы…………………………………….…186

9.9 Рабочие (супер)станции с использованием универсального вычислителя…. 187

Глава 10. Стандартизация в компьютерной графике……………………………….….189

10.1 NGP (Network graphics рrotocol)………………………………………………...189

10.2 Международная деятельность по стандартизации в машинной графике…….190 10.3 Классификация стандартов………………………………………………….…..193 Core-System……………………………………………………………..….…..193

GKS (Graphical Kernel System)……………………………………………..…194

GKS-3D (Graphical Kernel System for Three Dimensions)…………………...196 PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System)…………….196 PHIGS+………………………………………………………………………. 197

CGI (Computer Graphics Interface)………………………………………….…198

10.4 Графические протоколы………………………………………………………. 198

10.4.1 Аппаратно-зависимые графические протоколы……………………..198

Протокол TEKTRONIX……………………………………………….199 Протокол REGIS……………………………………………………….199 Протокол HP-GL……………………………………………………….199

10.4.2 Языки описания страниц………………………………………………199

Язык PostScript…………………………………………………………200 Язык PCL……………………………………………………………….201

10.4.3 Аппаратно-независимые графические протоколы…………………...201

10.4.4 Проблемно-ориентированные протоколы……………………………203

Глава 11. Форматы графических файлов……………………………………………..…205

11.1 Векторные форматы……………………………………………………………..206

11.2 Растровые форматы…………………………………………………………...…208

11.3 Методы сжатия графических данных………………………………………..…211

11.4 Преобразование файлов из одного формата в другой…………………………218 Глава 12. Технические средства КГ  (оборудование КГ)…………………………...…..22312.1 Видеоадаптеры………………………………………………………………..….223

12.2 Манипуляторы…………………………………………………………………. 227

12.3 Оборудование мультимедиа………………………………………………….…230

12.4 Мониторы………………………………………………………………………...232

Характеристики мониторов…………………………………………………..233 Аналоговые мониторы………………………………………………………..234 Жидкокристаллические дисплеи……………………………………………..234 Газоплазменные мониторы…………………………………………………...235 Видеокарта……………………………………………………………………..235 Функции графического ускорителя…………………………………………..237 Выбор видеокарты под монитор……………………………………………...238

12.5 Видеобластеры…………………………………………………………………...238

12.6 Периферия……………………………………………………………………..…238

12.6.1 Принтеры…………………………………………………………….…239

12.6.2 Имиджсеттеры……………………………………………………….…241

12.6.3 Плоттеры………………………………………………………………..241

12.7 Модемы…………………………………………………………………………..242

12.8 Звуковые карты………………………………………………………………..…242

12.9 Сканеры…………………………………………………………………………...242

12.10 Секреты графических планшетов (дигитайзеров)………………………….. 245

12.11 Цифровые фотоаппараты и фотокамеры……………………………………...246 Литература ………………………………………………………………………….…247

Глава 1.  Основные понятия

Важнейшая функция компьютера - обработка информации. Особо можно выделить обработку информации, связанную с изображениями. Она разделяется на три основные

направления: компьютерная графика (КГ), обработка и распознавание изображений.

Задача компьютерной графики  (Computer Graphics)- визуализация, то есть

создание изображения. Визуализация выполняется, исходя из описания (модели) того, что нужно отображать. Существует много методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собою в зависимости от того что и как отображать. Например, отображение того, что может быть только в воображении человека — график функций, диаграмма, схема, карта. Или наоборот, имитация трехмерной реальности — изображение сцен в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования. Важными и связанными между собою факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.

Обработка изображений (Computer Vision)— это преобразования изображений.

Входными данными является изображение, и результат обработки — тоже изображение. Примерами обработки изображений могут служить: повышение контраста, чѐткости, коррекция цветов, редукция цветов, сглаживание, уменьшение шумов и так далее. В качестве материала для обработки могут использоваться космические снимки, сканированные изображения, радиолокационные, инфракрасные изображения и т. п. Задачей обработки изображений может быть как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально меняющее изображения. В последнем случае обработка изо- бражений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения. Например, перед распознаванием часто необходимо выделять контуры, создавать бинарное изображение, разделять по цветам. 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.

Image Processing

Изображение

Описание

Рис. 1.1. Направления компьютерной графики

Для распознавания изображений (Image Processing)основная задача — получение описания объектов, представленных изображением. Методы и алгоритмы распознавания 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, например, 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).

Методы  классификации  и  выделение  отдельных  элементов  могут  быть  тесно

связаны между собою. Так, классификация может быть сделана на основе структурного анализа отдельных элементов объекта. Или для выделения отдельных элементов можно использовать методы классификации. Задача распознавания является обратной относительно визуализации.

Стоит отметить, что довольно популярным до недавнего времени было словосочетание интерактивная компьютерная графика. Им подчеркивалась способность компьютерной системы создавать графику и вести диалог с человеком. Прежде системы работали в пакетном режиме- способы диалога были не развиты. В настоящее время почти любую программу можно считать интерактивной системой КГ.

Разновидности компьютерной графики

Распространение компьютерной графики началось с полиграфии. Но вскоре она вы-

рвалась из тесных помещений типографий на простор широкого применения. Огромную популярность завоевали компьютерные игры, научная графика и фильмы. Сейчас без развитой и изощренной графики не обходится ни один фантастический фильм, ни одна компьютерная игрушка. Создаются изображения настолько реальные, что трудно поверить  в  то,  что  все  это  создано  на   компьютере.  Мощнейшие  машины  и

талантливейшие команды математиков, программистов и дизайнеров работают над этим.

Ни один приличный доклад в сфере бизнеса не обходится сейчас без компьютерной презентации.

Из простого перечисления областей применения видно, что понятие компьютерной графики довольно обширно — от алгоритмов, рисующих на экране причудливые узоры,

до мощных пакетов ЗD-графики и программ, имитирующих классические инструменты художника. Иными словами, компьютерная графика не является простым рисованием при

двухмерная графика; полиграфия;

web-дизайн; мультимедиа;

ЗD-графика и компьютерная анимация; видеомонтаж;

САПР и деловая графика; геоинформационные системы.

Сферы применения компьютерной графики чрезвычайно разнообразны. Каждый ее

раздел имеет свои отличительные особенности и тонкости «технологического производства». Для каждого из них создано свое программное обеспечение, включающее разнообразные специальные программы (графические редакторы). Вне зависимости от области использования каждый графический редактор, как правило, должен иметь:

● инструменты рисования на компьютер;

● библиотеку готовых изображений;

● набор шрифтов;

● набор спецэффектов;

● а также быть совместимым с другими графическими программами.

Остановимся на некоторых характерных чертах,  присущих отдельным  областям компьютерной графики, попутно затрагивая используемые в них программные средства.

Полиграфия

Компьютерная графика начала своѐ распространение с полиграфии. Полиграфия – довольно сложное направление, требующее от работающего в этой области наибольшей

широты знаний. Даже на поверхностный взгляд работа в полиграфии довольно разнообразна:  создание  визиток,  бланков,  рекламных  листовок,  буклетов  и  плакатов;

работа в периодических изданиях (часто имеющих свою специфику). Для реализации этих задач предназначены специальные программы верстки.

Программы верстки дают возможность соединять вместе текстовую и графическую информацию для создания информационных бюллетеней, журналов, брошюр и рекламной

продукции. Среди наиболее популярных программ можно выделить Adobe PageMaker и QuarkXPress.  Большинство  программ  верстки  страниц  используется  для  компоновки

различных элементов на странице, а не для того, чтобы с нуля создавать в них текстовые или  графические  файлы.  Тексты  объѐмных  документов,  как  правило,  пишутся

(набираются) в системах обработки текстов (текстовых редакторах типа MS Word), а затем  импортируются  в  программы  верстки.  Графика  часто  создаѐтся  в  программах

черчения (деловой графики) и редактирования изображений, а затем импортируется в программу верстки страниц. Хотя все основные программы верстки страниц обладают

примерно одними и теми же возможностями, свою популярность они завоевали по разным причинам. Например, PageMaker традиционно считается самым лѐгким в использовании продуктом среди программ верстки страниц, в первую очередь из-за того, что в нѐм использован визуальный образ, знакомый большинству художников и дизайнеров. Конкурент и аналог PageMaker – QarkXPress – обычно используется для компьютеров на платформе Macintosh. Пакеты компьютерной графики для полиграфии позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством.

Мультимедиа

Мультимедиа  –  это  область  компьютерной  графики,  связанная  с  созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ и интерфейсов к

ним.

В отличие от полиграфии, где дизайнер-полиграфист сотрудничает с печатником,

дизайнер-мультимедийщик сотрудничает с программистом. Здесь требования к графике уже другие. Так, в полиграфии, например, файлы должны были иметь достаточно большое разрешение. В результате размеры файлов могут составлять десятки и даже сотни мегабайтов. В мультимедиа же ограничением служит разрешение экрана монитора и требование минимизации размеров файлов. Здесь контроль за качеством проще, чем в полиграфии, для него достаточно хорошего монитора.

Для работы в этой области наряду с графическими редакторами необходимо знать программы создания мультимедиа- например Macromedia Director или MS Power Point. В создании новых версий презентационных пакетов можно отметить тенденцию всѐ более полного использования мультимедиа-возможностей и Интернета. Эти программы допускают удобный импорт видео- и звуковых файлов, в них предусмотрены средства анимации диаграмм.

World Wide Web (WWW)

Важным событием в жизни общества стало появление глобальной  сети Internet. Сейчас происходит бурное развитие этой сети. Возрастают мощности каналов передачи

данных, совершенствуются способы обмена и обработки информации. Сеть Internet используют всѐ больше людей в разных странах. Это способ общения людей, обмена

информацией, сближения языков, распространения идей, новое пространство для бизнеса и т.п. Важное место в Internet занимает компьютерная графика. Всѐ больше совершенствуются способы передачи визуальной информации, разрабатываются более совершенные графические форматы, ощутимо желание использовать трѐхмерную графику, анимацию, весь спектр мультимедиа.

Требования к созданию изображений  для WWW очень противоречивы. С одной

стороны, жѐсткие ограничения по снижению размеров файлов для минимизации времени их передачи в сети, с другой - необходимость сохранения качества передаваемой по сети "картинки". Каждый формат графических изображений, применѐнный в WWW, имеет свои особенности: JPEG, например, хорош для фотографий, а GIF – для векторных изображений. К тому же WWW имеет свою область цветового охвата, что необходимо учитывать при создании изображений.