Задачи компьютерной графики

Лекция №8 - ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Задача компьютерной графики сводится к созданию изображений по их описанию. Предмет компьютерной графики – изучение способов по-строения, хранения, обработки, описания моделей, объектов и их изобра-жений с помощью ЭВМ. В том случае, если пользовател ь может управлять характеристиками объектов, говорят об интерактивной компьютерной графике.

При обработке информации, связанной с изображением на мониторе, прин я то выделять три основных напр авления:

• распознавание образов;

• обработку изображений;

• машинную графику.

Основная задача распознавания образов состоит в преобразовании уже имеющегося изображения на формально понятный язык символов. Распознавание образов или система технического зрения (COMPUTER VISION) – совокупность методов, позволяющих получить описание изо-бражения, поданного на вход, либо отнести заданное изображение к неко-торому классу (так поступают, например, при сортировке почты). Одной из задач C O M P UT E R VI S I O N является та к называемая скелетизация объектов, при которой восстанавливается некая основа объекта, его «скелет».

Обработка изображений (IMAGE PROCESSING) рассматривает за-дачи, в которых и входные, и выходные данные являются изображениями. Например, передача изображения с устранением шумов и сжатием данных, переход от одного вида изображения к другому (от цветного к черно-белому) и т.д.

Компьютерная (машинная) графика (COMPUTER GRAPHICS) воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информа-ция неизобразительной природы. Например, визуализация эксперимен-тал ьн ых данных в виде графиков, гистограмм или диаграмм, вывод ин-формации на экран компьютерных играх, синтез сцен на тренажерах.

5.2. Приложения ко м пь юте р ной графики

Компьютерная графика стала основным средством взаимодействия человека с ЭВМ. Ва ж н е й ш и м и сформировавшимися областями приложе-ний явля ютс я:

• компьютерное моделирование, которое явилось исторически первым широким приложением компьютерной графики;

• системы а в то м а тиз а ции науч ных исследований, системы автомати-зации проектирования, системы а в то м а тиз а ц ии констру ирования, системы автоматизации производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами;

• бизнес;

• ис кусс тво;

• средства массовой информации;

• досуг.

В настоящее время появилось новое, очень интересное приложение компьютерной графики – виртуальная реальнос ть.

Ис тор ичес к и первыми интерактивными системами считаются систе-мы автоматизированного проектирования (САПР), которые появились в 60-х годах. Они предс тавляют собой значительный этап в эволюции ком-пьютеров и программного обеспечения. В системе интерак тивной компью-тер ной графики пользователь воспринимает на дисплее изображение, представляющее неко торый сложный объект, и может вносить изменения в описание (модель) объекта. Такими изменениями могут быть как ввод и редактирование отдельных элементов, так и задание числовых значений для любых параметров, а также иные операции по вводу информации на основе восприятия изображений.

Системы типа САПР активно используются во многих областях, на-пример в машиностроении и электронике. Одними из первых были созда-ны САПР для проектирования самолетов, автомобилей, системы для раз-работки микроэлектронных интегральных схем, архитектурные системы. Такие системы на первых порах функционировали на достаточно больших компьютерах. По то м распространилось использование быстродействую-щих компьютеров среднего класса с развитыми графическими возможно-стями – графических рабочих станций. С ростом мощностей персональ-ных компьютеров все чаще САПР использовали на дешевых массовых компьютерах, которые сейчас имеют достаточные быстродействие и объе-мы памяти для решения многих задач. Это привело к широкому распро-странению систем САПР.

5.3. Технические средства компьютерной графики

Дисплейные устройства, разработанные в середине 60-х годов и ис-пользуемые до сих пор, называются векторными, штриховыми или кал-лиграфическими. Они состоят из дисплейного процессора, дисплейно й буферной памяти и ЭЛТ с относящейся к ней электронно й частью. Буфер служит для запоминания подготовленного на ЭВМ дисплейного списка

(или дисплейной программы); последняя включает команды вывода то ч ек и отрезков (по координатам конечных точек), а так ж е команды вывода литер.

Команды рисования точек, отрезков и литер интерпретируются дис-плейным процессором, который преобразует цифровые значения в анало-говые напряжения, управляющие электронным лучом, последний вычер-чивает линии на люминофорном покрытии ЭЛТ. Поскольку светоотдача люминофор а падает до 0 за десятки микросекунд, дисплейный процессор должен осуществлять цикл по заданной программе с целью регенерации изображения на люминофоре с частотой не менее 30 раз в 1 с для устране-ния мерцания; в связи с этим буфер, в котором хранится дисплейная про-грамма, обычно называется буфером регенерации.

В середине 70-х годов была изобретена дешевая раст ров ая графика, основанная на телевизио нной технике, которая оказала сильное влияние на развитие машинной графики. В растровых дисплеях дисплейные примити-вы (отрезки, литеры и закрашенные участки – обычно многоугольники) хранятся в памяти для регенерации в виде совокупности образующих их точек, называемых пикселями (pixels) или пэлами (pels) от словосочета-ния picture element. Изображение формируется на ра ст ре, представляю-щем собой совокупность горизонтальных растровых строк, каждая из ко-то р ых состоит из отдельных пэлов; та к им образом, растр – это матрица из пэлов, покрывающая всю площадь экрана. Вс е изображение последовательно сканируется 30 раз в 1 с по отдельным строкам растра в направле-нии сверху вниз, при этом изменяется лишь интенсивность электронного луча для каждого пэла в строке. Благодаря этому резко возрастает потребность в памяти.

Отличие растровой графики от векторной. Растровая графика (в отличие от векторной) позволяет закрашивать отдельные участки изображения (обычно разными цветами), что существенно повышает возможно-сти передачи информации. Кроме тог о, процесс регенерации в этом случае не зависит от сложности изображения (число линий и т. д.), так как аппа-ратура обладает достаточным быстродействием, чтобы считать все пэлы из буферной памяти в течение цикла регенерации независ имо от того, содер-жат они информацию или же служат лишь фоном. Благодаря этому устра-няется мерцание. Векторные же дисплеи часто начинают мерцать, когда число примитивов в буфере становится большим.

Чтобы переместить часть изображения в векторном дисплее, нуж но скорректировать параметры программы, в растровом нужно переместить блок данных из одного места в другое. В растровом дисплее можно закра-сить область, а в векторном – только заштриховать.

Аппаратными компонентами являются основная ЭВМ и управляемое ею дисплейное устройство, называемое дисплеем или графическим терминалом. Дисплей состоит из компоненты для вывода (дисплейный экран или видовая поверхность, на которую выводится изображение) и компоненты для ввода или интерактивной компоненты. Интерак тивная компонента обычно представляет собой набор логических устройств, которые содержат:

• устройства типа клавиатуры;

• кнопочное устройство для вызова заданных функций или осущест-

вления определенных операций;

• устройства для указания (световое перо), используемые при указа-

нии составных частей изображения на экране;

• валюаторы, т.е. устройства типа вращающихся ручек или рычагов

для ввода скалярных величин;

• указател и по лож ени я по осям x и y, или локаторы.

Программное обеспечение состоит из трех компонент. Первой ком-понентой является прикладная программа. Она засылает информацию и извлекает ее из второй компоненты – прикладной структуры данных (базы данных) – и направляет графические команды в третью компоненту – графическую систему.

Структура данных содержит описание реальных или абстрактных объектов, изображения которых должны появляться на экране. Поэтому в структуре данных может храниться необходимая информация для так их разнообразных объектов, как электрические схемы, здания, математические и статистические функции и т. д.

В описания объектов обычно включаются геометрические данные о координатах (определяющее форму объекта), атрибуты объекта (тип линии, цвет или фактура поверхности), а так же данные о связности и поло-жении (т.е. данные о том, каким образом компоненты соединены между собой).

Графический пакет (графическая схема) – получает набор команд от пользователя и преобразует их в изображение. Графическая схема по назначению эквивалентна подсис темам ввода/вывода. Прикладная струк-тура данных хранит о писание объекта, т.е. информацию о геометрии объ-екта, связности объекта, об атрибутах объекта и характеристики объекта. Прикладная программа обеспечивает преобразование вывода, т.е. элементов структуры данных в поток примитивов и преобразование ввода, т.е. поток сообщений об изменении структуры данных.

5.4. Графические файлы и их форматы

Наиболее распространенными форматами графических файлов явля-ются:

BMP (Windows Device Independent Bitmap)

Формат ВМР является «родным» форматом Windows, он поддержи-вается всеми графическими редакторами, работающими под ее управлением. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows. Способен хранить как индексированный (до 256 цветов), так и RGB- цвет (16 млн оттенков). Возможно примене ние сжатия по принципу RLE (они могут иметь расширение.rle).

WMF (Windows Metafile)

Еще один «родной» формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена (Clipboard). Понимается прак тически всеми програм-мами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. Однако, несмотря на кажущуюся простоту и у ниверсальнос ть, пользоваться форма-то м WMF стоит тол ьк о в крайних случаях для передачи «голых» векторов. WMF искажает цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть пр исвоены объектам в различных векторных редакторах.

GI F (CompuServe Graphics Interchange Format)

Разработан фирмой CompuServe для передачи растровых изображе-ний по сетям. Он использует LZW-компрессию, что позволяет хорошо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы). GIF-формат позволяет записывать изображение «через строчку» (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернете. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. В GIF'e можно назначить один или более цветов прозрачными, они станут невидимыми в интернетовских браузерах и некоторых других программах. Прозрачность обеспечивается за счет дополнительного Alpha-канала, сохраняемого вместе с файлом.

Кроме того, файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых картинок, которые интернетовские браузеры могут подгружать одну за другой с указанной в файле частотой. Это называется GIF-анимация.

Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изо-бражение может быть записано тол ьк о в режиме 256 цветов. Для полигра-фии этого явно недостаточно.

PNG (Portable Network Graphics)

PNG – недавно разработанный формат для Сети, призванный заменить собой устаревший GIF. Использует сжатие без потерь. Глубина цвета может быть любой, вплоть до 48 бит (RGB, для сравнения, – 24), используется Interlacing, пр ичем не только строк, но и столбцов, поддерживается плавно переходящая прозрачность. В файл формата PNG записывается информация о гамма-коррекции. Гамма представляет собой некое число, ха-рактеризующее зависимость яркости свечения экрана вашего монитора от напр яжения на электродах кинескопа. Это число, считанное из файла, позволяет ввести поправку яркости пр и отображении. Ну ж но оно для того, чтобы картинка, созданная на Макинтош, выглядела одинаково и на РС и на Silicon Graphics. Таким образом, эта особенность помогает реализации основной идеи WWW – одинакового отображения информации независи-мо от аппаратуры пользователя. Файлы PNG могут делать все основные графические редакторы.

TGA (Targa)

«Targa» – это имя графического адаптера фирмы Truevision, который впервые использовал TGA-формат. Перв а я редакция TGA-формата имеет название «Original TGA format» (оригинальный TGA-формат), а вторая – «New TGA Format» (новый TGA-формат). Формат может хранить изобра-жения с глубиной цвета до 32 бит. Наряду со стандартными трем я RGB-каналами TGA-файл имеет дополнительный альфа-канал для представле-ния информации о прозрачности изображения. Информация может быть сжата. Формат используется программными продуктами многих известных в мире компьютерной графики фирм.

JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Строго говоря, JPEG'ом называется не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, как в RLE и LZW, а на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы. Вм е -сто действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Лишнюю, с его точк и зрения, цветовую информацию он отбра-сывает, усредняя некоторые значения. Можно задать уровень компрессии. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. Ис по л ьз у я JPEG, можно получить файл в 10-500 раз мень-ше, чем ВМР. Формат аппаратно независим. Из сказанного можно сделать следующий вывод: J P EG' ом лучше сжимаются растровые кар тинки фото-графического качества, чем логотипы ил и схемы – в них больше полутоно-вых переходов, среди же однотонных заливок появляются нежелательные помехи. В JPEG'е следует сохранять тольк о конечный вариант работы, по-томучто каждое пересохранение приводит к все новым потерям (отбрасы-ванию) данных и превращению исходного изображения в кашу.

TI F F (Tagged Image File Format)

Аппаратно независимый формат TIFF на сегодняшний день являетс я одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают прак-тически все программы на РС и Macintosh, так или иначе связанные с гра-фикой. TIFF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы. Ему доступен весь диапа-зон цветовых моделей от монохромной до RGB, CMYK и дополнительных цветов Pantone. TIFF может сохранять векторы Photoshop'a, Alpha-каналы для создания масок в видеоклипах Adobe Premiere и массу других дополнитель-ных данных. Наибольшие проблемы обычно вызывает LZW-компрессия, иног да применяемая в TI F F' e. Ряд прог рамм (наприм ер, Q u a r k X P r e s s 3. x и Adobe Streamline) не умеют читать такие файлы, кроме того, они могут дольше выводиться на принтеры и фотонаборные ав том а ты. Только если файл комрессуется в 3- 4 раза, получается выигрыш во времени вывода.

PSD (Adobe Photoshop Document)

PSD – «родной» формат популярного растрового редактора Photoshop. Он позволяет записывать изображение со многими слоями, их масками, дополнительными каналами, контурами и другой информацией – все, что может сделать Photoshop. Начиная с версии 3.0, используется RLE-компрессия, в 4-й версии файлы становятся еще меньше. PSD понимаю т некоторые программы.

CDR (CorelDRAW Document)

Формат известен в прошлом низкой устойчивостью и плохой со-вместимостью файлов, тем не менее, пользоваться CorelDRAW чрезвы-чайно удобно, он имеет неоспоримое лидерство на платформе РС. Многие программы на РС (FreeHand, Illustrator, PageMaker,...) могут импортиро-вать файлы CDR. Версии CorelDRAW, начиная с 7-й можно без натяжек назвать профессиональными. В файлах этих версий применяется компрес-сия для векторов и растра отдельно, могут внедряться шрифты, файлы CDR имеют огромное рабочее поле 45×45 м (этот параметр важен для наружной рекламы); начиная с 4- й версии, поддерживается многос траничнос ть.

 

Контрольные вопросы

1. Для решения каких задач используется компьютерная графика?

2. Каковы приложения компьютерной графики?

3. Что так ое САПР? Где они используются?

4. Дайте понятия векторной и растровой графики.

5. Какие форматы графических файлов вы знаете?

6. Какие профессиональные пакеты используются для создания гра-фической документации в горном деле?