Тема № 8

Понятие о компьютерной графике.

Одна из основных функций компьютера это обработка информации, в том числе и информации представленной в графическом виде. Здесь можно выделить несколько направлений деятельности:

• визуализация, создание изображений – визуализация выполняется исходя из описания (модели) того, что нужно изображать. Существует много методов и алгоритмов визуализации, которые различаются в зависимости от того, что и как необходимо отобразить.
• обработка изображений – входными данными является изображение, результат тоже изображение. Примеры обработки: повышение контраста, четкости, коррекция цветов, уменьшение шумов и т.п.
• анализ (распознавание) изображений – классификация изображений в целом (установление персоны по отпечаткам пальцев, проверка является ли изображение летательным объектом и пр.); распознание текстов, создание трехмерных моделей человека и пр.

Компьютерная графика – технология создания и обработки графических изображений средствами вычислительной техники.

Основные области применения к.г.

Визуализация научных и деловых данных ;

Когнитивная компьютерная графика - это совокупность приемов и методов образного представления условий задачи, которое позволяет либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения. Методы когнитивной графики используются в искусственном интеллекте в системах, способных превращать текстовые описания задач в их образные представления, и при генерации текстовых описаний картин, возникающих во входных и выходных блоках интеллектуальных систем, а также в человеко-машинных системах, предназначенных для решения сложных, плохо формализуемых задач.

Пример , система линейных уравнений может быть решена без привлечение математического аппарата. Введём систему координат и построим два графика, уравнениями которых являются выражения, входящие в систему. Решение системы задается точкой пересечения прямых.

Графический интерфейс пользователя система средств для взаимодействия пользователя с компьютером, основанная на представлении всех доступных пользователю системных объектов и функций в виде графических компонентов экрана (окон, значков, меню, кнопок, списков и т. п.). При этом пользователь имеет произвольный доступ (с помощью клавиатуры или устройства координатного ввода типа "мышь") ко всем видимым экранным объектам. ( интерактивная к.г . очень популярное до недавнего времени словосочетание – способность компьютерной системы создавать графику и вести диалог с пользователем);

Системы автоматизированного проектирования САПР;

Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажеры управления самолётом); - во многих компьютерных играх реализованы идеи и методы, которые были ранее воплощены в профессиональных тренажерных системах.

Спецэффекты, цифровая кинематография ; - основным фактором стимулирования развития современной к.г. являются потребности индустрии развлечений и рекламы.

Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;

Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;

Способы визуализации: растровый и векторный.

Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Преимущества векторной графики :

• Малый объем файлов (т.к. хранится набор координат, и числа характеризующие примитивы)
• Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться.

Недостаток:

• не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики.

В настоящее время доминирует растровое изображение.

Растровая графика

Растр – это матрица ячеек – пикселов ( pixel – Picture Element ). Любой пиксел имеет свой цвет. Совокупность пикселов различных цветов образует изображение. Для описания расположения пикселов используется система координат – часто (и в том числе в VB ) начало отсчета находится в верхнем левом углу. Ось х направлена вправо, ось у вниз.

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселов. Каждому пикселу сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Достоинства:

•  позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому (в теории, конечно, возможно, но файл размером 1МБ в формате BMP будет иметь размер 200 МБ в векторном формате).

•  Распространённость — растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.

Недостатки:

• Большой размер, занимаемый файлами — хотя сейчас достаточно часто применяют сжатие, размер все равно достаточно велик (особенно у больших изображений).
• Потери качества изображения (очень заметно при увеличении картинки).

Основные характеристики растровых изображений

Геометрические характеристики растра

1. Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и вертикали.

2. Разрешающая способность растра – характеризует расстояние между соседними пикселами – шаг дискретной сетки растра. Измеряется количеством пикселов на единицу длины. Единица измерения – dpi ( dots per inch ) – количество пикселов в одном дюйме длины (2.54 см). Шаг не обязательно равняется размеру пиксела. Пиксел может как больше так и меньше шага.

3. Форма пикселов – определяется особенностями устройства графического вывода. Принтер – круглая форма; жидкокристаллический дисплей – прямоугольник или квадрат.

4. Количество цветов (глубина цвета) – важная характеристика любого изображения. Глаз человека способен различать 350 000 цветов.

Классификация изображений:

1. Двухцветные (бинарные).Черно-белые. – 1 бит на пиксел

2. Полутоновые – градации серого или иного цвета. 256 градаций – 1 байт на пиксел

3. Цветные изображения. 16 бит на пиксел – 65536 цветов – High Color , 24 бит на пиксел – 16.7 млн. цветов – True Color , используют и 32 и 64 бит на пиксел.

Оценка разрешающей способности растра.

Глаз человека способен различать объекты с угловым размером a около минуты. Если размер объекта dP значительно меньше, чем расстояние до него R , то a = dP / R . Таким образом мы можем оценить минимально различимый размер пиксела - пикселы меньшего размера, чем этот не будут восприниматься человеком как отдельные точки.

Рекомендуется размещать дисплей на расстоянии 0,5м. Таким образом минимальная разрешающая способность, при котором уже не заметны отдельные пикселы равна 300 dpi ( dots per inch ). Современные мониторы имеют разрешающую способность 100 -120 dpi . Диагональ 15” – разрешение1024*768 пикселов, а необходимо в два раза больше.

Цвет

1666 году Исаак Ньютон провел знаменитые опыты по разложению белого света. Непрерывный спектр он разбил на семь: красный – оранжевый – желтый – зеленый – голубой – синий –фиолетовый . Это разбиение условно и во многом случайно. Скорее всего, Ньютон находился под действием европейской нумерологии.

Характеристики цвета:

1. Цветовой тон – определяется преобладающей длиной волны в спектре излучения.

2. Яркость – интенсивность светового излучения.

3. Насыщенность (чистота тона) – доля присутствия белого света.

Но глаз человека это не спектрометр, и ощущения света формируется другим образом.

Спектральная чувствительность глаза: - пунктирная линия с максимумом 498 нм

Колориметрия – наука, которая изучает цвет и его измерения. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком.

Законы смешивания цветов (Герман Грассман 1853 г):

1 . Цвет трехмерен – для его описания необходимы три компонента. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Ц = k ₁ Ц ₁ + k ₂ Ц ₂ + k ₃ Ц ₃ ,

где Ц – любой заданный цвет; Ц _1,2,3 – базисные, линейно независимые цвета; k _1,2,3 – коэффициенты, которые указывают количество смешиваемого цвета

2. Если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время как две другие остаются постоянными, цвет смеси также изменяется непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не зависит от их спектральных составов.

Аддитивная цветовая модель RGB

Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с помощью устройств излучения. В качестве основных цветов выбран красный ( red ) – зеленый ( green ) – синий ( blue ).

См рис. – такое изображение с помощью трех фонарей получил Томас Юнг. Позднее Джеймс Максвелл предложил в качестве основных цветов использовал излучения с длинами волн: 630 нм, 528 нм, 457нм. Т.о. любой цвет можно получить

Ц = r R + g G + b B ,

где r, g, b – количество соответствующих основных цветов (r+g+b=1). Соотношение коэффициентов r, g, b Максвелл представил с помощью треугольника, который был позднее назван треугольник Максвелла. Чтобы получить белый цвет яркости соответствующих источников не должны быть одинаковыми: LR : LG : LB = 1 : 4.5907 : 0.0601

В настоящее время система RGB – официальный стандарт.

Решением Международной комиссии по освещению (1931 г.) стандартизованы основные цвета, которые рекомендуется использовать в качестве R (700 нм), G (546,1 нм), B (435,8 нм). Черный цвет – это отсутствие любого цвета. RGB – трехканальная цветовая модель

Модель RGB может быть представлена в трехмерной системе координат. Где оси это соответствующие составляющие синего, зеленого и красного цвета. Тогда цвет, создаваемый смешиванием трех компонентов, представляет собой вектор в данной системе координат ( r , g , b ). Черный цвет – центр координат точка (0, 0, 0). Белый цвет – (1, 1, 1). Белому цвету соответствует максимальное значение компонент.

Точки, лежащие на диагонали куба, от черного к белому, соответствуют равным значениям: r i = g i = b i . Это градации серого (их можно считать белым цветом различной яркости). Таким образом если все компоненты вектора ( r , g , b ) умножить на одинаковый коэффициент m , то цвет сохраняется, изменяется только его яркость. Поэтому для анализа цвета важно только соотношение компонентов.

Модель RGB является в настоящее время самой распространенной. В то же время ей присущ важный недостаток: не все цвета, видимые человеком, представимы в этой модели. В конце 1920-х годов В.Д. Райтом и Дж. Гилдом были проведены эксперименты, в которых наблюдателю предлагалось каждому монохроматическому цвету (шаг 2 nm ) фиксированной яркости в видимом диапазоне сопоставить цвет, составленный из смеси основных цветов R , G и B с некоторыми весами, регулируемыми наблюдателем. Оказалось, что для некоторых цветов необходимо было добавить отдельно яркости испытуемого света и одного из базисных цветов (был выбран R ), с тем чтобы получить одинаковое восприятие:

Ц + r R = g G + b B

Это соответствует отрицательному весу R -компоненты. К счастью, доля воспроизводимых цветов значительно больше, чем доля не представимых в этой модели

Цветовая модель СМУ( K ) (цмик)

Цветовая модель CMY (от англ. Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) является как бы "перевернутой" моделью RGB она описывает поглощаемые цвета. Если краситель поглощает все цвета кроме красного, то мы увидим красный цвет. Нанесение желтой краски на белую бумагу означает, что поглощается отраженный синий цвет.

Цвета, которые используют белый свет, вычитая из него определенные участки спектра, называются субтрактивными ( subtract – вычитать)

Белый – красный = голубой

Белый – зеленый = пурпурный

Белый – синий = желтый

Данная модель используется для описания цвета в печатных устройствах.

Кодирование цвета

Представление цветов в виде чисел. Зависит от цветовой модели и формата числовых данных в компьютере.Для модели RGB каждая из компонент может представляться числами, ограниченными некоторым диапазоном.

Формат True Color.

Каждая компонента представлена в виде байта (дает 256 градаций для каждой компоненты):

R = 0 … 255 G = 0 … 255 B = 0 … 255.

Количество цветов: 256 х 256 х 256 = 16б7 млн (224).

Компонентный способ кодирования.

Коды изображений True Color представлены в виде троек байтов или упаковываются в длинное целое (четырехбайтное) – 32 бита:

С = 00000000 bbbbbbbb gggggggg rrrrrrrr

Форматы растровых изображений

TIFF – разработан для хранения сканированных изображений с высокой разрешающей способностью. В данном формате не используется ни один из методов сжатия – т.о достигается максимально возможная степень соответствия копии и оригинала. Используется в профессиональном дизайне для хранения изображений высокого качества. Семейный фотоальбом хранить в нем невыгодно (слишком большой размер файлов)

JPЕG – это широко распространенный алгоритм сжатия изображений. Сжатие информации происходит с потерей качества. Данный метод непригоден если важно сохранить всю информацию, это касается в первую очередь файлов создаваемых программами автоматизированного проектирования. Однако в случае многоцветных фотографий некоторые детали могут быть отброшены без видимого изменения изображения. (Домашние фотографии лучше всего хранить в этом формате) В данный формат следует сохранять только конечный вариант работы, т.к. каждое новое сохранение приводит к потери данных.

GIF  — формат хранения графических изображений ( англ. Graphics Interchange Format ), созданный в 1987 специально для Интернета (Срок действия последнего патента на GIF истёк 11 августа 2006). Формат GIF способен хранить сжатые без потерь изображения, содержащие до 256 цветов, и предназначен, в основном, для чертежей, графиков и т. д. Есть возможность использовать прозрачный фон. Создавать небольшие анимации (несколько сменяющих друг друга изображений в одном файле).

PNG - (Portable Network Graphics) — растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь. PNG был создан как для улучшения, так и для замены формата GIF графическим форматом, не требующим лицензии для использования. Формат PNG позиционируется прежде всего для использования в сети Интернет и редактирования графики (так как каждое новое сохранение в формате JPEG приводит к потери качества, то при редактирование полноцветных изображений промежуточные варианты рекомендуется сохранять в формате PNG (или в TIFF если изображение предназначено для печати) и лишь окончательный вариант в формате JPEG).

PNG имеет следующие основные преимущества перед GIF:

• Практически неограниченное количество цветов в изображении (ограничение для GIF равно 256);
• Опциональная поддержка альфа-канала - Альфа-канал, также известный как маска-канал, это способ объединить переходную прозрачность с изображением. Формат GIF поддерживает простую бинарную прозрачность (когда любой пиксель может быть либо полностью прозрачным, либо абсолютно непрозрачным), PNG позволяет 254 уровня частичной прозрачности между нормальным изображением (или 65534 уровня прозрачности для специальных «очень безумных»);
  Возможность гамма-коррекции. При переносе графического файла между компьютерами копия изображения может выглядеть светлее или темнее, чем оригинал. Ситуация усложняется, если на компьютерах установлены различные операционные системы (например Windows и Linux), или когда машины построены на базе разных аппаратных платформ (например, PC и Macintosh). Встроенная в формат PNG гамма-коррекция работает следующим образом: данные о настройках дисплея, видеоплаты и программного обеспечения (информация о гамме) сохраняется в файле вместе с самим изображением, что и обеспечивает идентичность копии оригиналу при переносе на другой компьютер.

1. Двумерная чересстрочная развёртка. Развёртка видеоматериала может быть прогресси?вной (построчной) или чересстро?чной. При прогрессивной развёртке все горизонтальные линии (строки) изображения отображаются одновременно. А вот при чересстрочной развёртке показываются попеременено чётные и нечётные строки (называемые также полями кадра). Двумерная чересстрочная развёртка - изображение проявляется постепенно не только по строкам, но и по столбцам.

Недостатки:
недостаток формата часто упоминается то, что он не дает возможности создавать анимационные ролики, хотя сейчас, при повальном переходе практически всей анимации на технологию Flash, это уже совсем не актуально.
формат PNG значительно уступает своему предшественнику, GIF-у, в тех случаях, когда речь идет о мелких элементах оформления веб-страниц, таких, как кнопки, рамки и т.п. Проблема заключается в том, что в файле изображения около 1 Кб занимает описание палитры цветов, что порой бывает сопоставимо с размером самого изображения
Патент на формат GIF принадлежит фирме CompuServe, что ограничивает возможности его использования в свободном программном обеспечении. К тому же в основе сжатия, применяемого к графическим файлам при сохранении их в формате GIF, лежит алгоритм сжатия LZW, патент на который принадлежал компании Unisys (до истечения его срока действия в 2003). PNG же использует открытый, не запатентованный алгоритм сжатия Deflation, бесплатные реализации которого доступны в Интернете. Этот же алгоритм используют многие программы компрессии данных, в том числе PKZIP и GNU GZIP.
Формат PNG обладает более высокой степенью сжатия для файлов с большим количеством цветов, чем GIF, но разница составляет около 5–25%, что недостаточно для абсолютного преобладания формата, так как небольшие 2–16 цветные файлы формат GIF сжимает с не меньшей эффективностью.
Существует одна особенность GIF, которая в PNG не реализована — поддержка множественного изображения, особенно мультипликации; PNG изначально был предназначен лишь для хранения одного изображения в одном файле. Для передачи анимированных изображений используется расширенный формат MNG, опубликованный в середине 1999 года и уже поддерживаемый в различных приложениях, однако пока так и не ставший общепринятым.
PNG является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и пересохранение изображения проходят без потерь в качестве. Также, в отличие, например, от TIFF, спецификация PNG не позволяет авторам реализаций выбирать, какие возможности они собираются реализовать. Поэтому любое сохранённое изображение PNG может быть прочитано в любом другом приложении, поддерживающем PNG.

Проблема поддержки 32-битной (полной) прозрачности картинки формата PNG в веб-браузере Internet Explorer была решена в седьмой версии браузера. Для остальных версий IE есть несколько способов, которые помогут вебмастеру добиться прозрачности путём включения в веб-страницу специальных функций и скриптов.
Другие современные браузеры полностью поддерживают возможности формата PNG.

• Неофициально PNG расшифровывают как «PNG is Not GIF» — «PNG — это не GIF».
• PNG произносится так же, как английское слово ping[2], т. е. [p??].

BMP – это родной формат Windows . Применяется для хранения изображений, предназначенных для использования в Windows , например, в качестве фона рабочего стола. Файлы данного формата имеют наибольший размер. Использование данного формата не для нужд Windows , является не рациональным.

Презентация: Сравнение графических форматов

<< Предыдущая

Оглавление

Следующая >>