Финансовый университет при Правительстве РФ
Кафедра «Информационных Технологий»
Реферат
по дисциплине «Экономическая Информатика»
на тему
«Технологии обработки графических данных»
Выполнила
Думанова Анастасия Александровна
ФК 1-12
Проверил:
доцент
Магомедов Рамазан Магамедович
Москва-2012
План
План 2
Введение 3
История компьютерной графики 3
Основные характеристики растровой графики 4
Цветовые модели 5
Модель восприятия HLS 6
Аддитивная модель цвета RGB 7
Субстрактивная модель цвета CMYK 8
Векторная графика 9
Трехмерная графика 10
Построение трехмерного изображения 10
Расчет реалистичного изображения. 11
Анимация и виртуальная реальность 12
Заключение 13
Введение
Сегодня мы всюду используем компьютерную графику - от создания мультиков до постройки домов и самолетов. Тем не менее, мы даже не имеем представления о том, с чего все начиналось и насколько данное направление облегчило нашу жизнь. В своем реферате я подробно рассмотрю становление компьютерной графики.
История компьютерной графики
Раньше почти все ЭВМ работали с числовыми и символьными данными. Специальные пульты, перфокарты и телетайпы использовались как устройства ввода и вывода.
Инженер Массачусетсского технологического института Джей У. Форрестер в декабре 1951-го года показал новый компьютер “Вихрь”, который отличался устройством вывода, которое формировало изображение на экране электронно-лучевой трубки. Оно получалось из отдельных светящихся точек. Позднее для оперативного управления компьютером во время управления комплексами ПВО было разработано первое интерактивное устройство ввода — световой пистолет.
Таким образом, было положено начало одному из самых применяемых направлений информационных технологий — компьютерной графике.
Главным принципом формирования изображения, является формирование изображения на экране из отдельных точек, расположенных в узлах прямоугольной сетки (растра), получил название растровой графики.
Следующим шагом в развитии этого направления стала разработка в 1961–1962 году Айвеном Сазерлендом первой интерактивной программы для выполнения чертежей — Sketchpad (Блокнот). Программа впервые реализовала принцип интерактивного рисования отдельных графических примитивов (отрезков и дуг) из отдельных точек и последующих операций с ними. Интерактивность достигалась применением светового пера для указания необходимых координат. Примерно в то же время была разработана первая система автоматизированного проектирования (DAC-1), но она требовала ввода координат примитивов с клавиатуры.
Основной трудностью при работе с графикой оказалась слишком высокая загрузка центрального процессора и памяти, так как изображение полностью формировалось с помощью центрального процессора. Чтобы преодолеть это затруднение, ученые разработали системы с памятью регенерации (позднее — видеопамятью), которые снимали с центрального процессора нагрузку. В таких системах каждая точка изображения описывалась некоторым числом. Большинство мониторов были монохромными и позволяли работать не более чем с одним цветом.
Так как наличие большой памяти (для каждой точки — не менее бита) делало такие системы крайне дорогими, вместо них долгое время применялись системы с запоминающей электронно-лучевой трубкой, удерживавшей изображение около часа. Применение таких систем сильно удешевляло производство, хотя и не позволяло работать с изображением интерактивно.
Это направление начало активное развитие в начале 80-х годов, когда появились высокоскоростные и дешевые запоминающие устройства на основе микросхем.
Основные характеристики растровой графики
Основными параметрами изображения в растровой форме является разрешение, возможное количество градаций. Различают разрешение линейное — количество столбцов по горизонтали и линий по вертикали, и цветовое/оттеночное — количество оттенков или цветов у каждой точки. Линейное разрешение описывают как количество точек, а цветовое — в виде количества битов, отводимых на описание каждой отдельной точки (эту величину еще называют битовой глубиной цвета).
Чем выше количество точек на единицу площади, чем выше количество цветов каждой точки, тем выше возможное качество изображения, но тем больше объем памяти, необходимый для хранения и обработки изображения. Например, при использовании 24 бит для представления цвета каждой точки может быть использовано 16 777 216 (224) оттенков, и изображение размером 1280 ґ 1024 точки (разрешение современного монитора) будет занимать как минимум 3840 Кб памяти.
Растровая графика — универсальное средство для формирования и обработки любых плоских изображений. С помощью цветов и оттенков отдельных точек на плоском изображении могут быть показаны и пространственные (объемные) сцены.
Растровая графика — основное средство представления и обработки фотографических изображений, стилизованных художественных рисунков, всевозможных диаграмм, текста. С помощью именно этого способа представления информации строятся современные человеко-машинные интерфейсы.
У данного способа представления информации, тем не менее, имеется ряд недостатков. К ним относятся: зависимость (причем квадратичная) качества изображения от его объема, трудность выделения и манипуляции отдельными осмысленными элементами, существенное падение качества изображения в результате геометрических преобразований.
Для преодоления этих недостатков программы работы с растровой графикой предусматривают средства создания составных изображений с помощью механизма слоев (layers) — накладывающихся друг на друга плоскостей, в каждой из которых используется только часть точек, механизма фильтров — преобразующих цвета пикселей с учетом некоторых параметров (выполняя, например, размытие или внесение геометрических искажений), управления цветовыми каналами и способом взаимодействия отдельных слоев.
Программы работы с растровой графикой имеют в своем составе большой набор способов изменения цвета пикселей, для этого используется метафора “инструмента” — модели кисти или карандаша с изменяемыми параметрами. Пользователь может создавать библиотеки таких инструментов.
Как было показано выше, при хранении и обработке растровая графика требует большого объема памяти. Поэтому при разработке способов ее хранения и передачи часто используют сжатие — преобразование, позволяющее уменьшить объем при хранении. Существует большое количество различных методов сжатия графической информации.
Цветовые модели
Один из самых важных вопросов при организации обработки графических данных — это представление и кодирование цвета.
В простейшем случае, когда на устройстве назначения всего два цвета, используется всего один бит, состояние которого и задает цвет. Если же цветов становится больше, то такой подход уже не может решить задачу.
Существует несколько способов кодирования цвета, применяемых при обработке как растровой, так и векторной графики.
Для описания градации одного цвета применяется обычное кодирование, в котором номер обозначает градацию. Чем больше значение, тем сильнее проявляется цвет. Для устройств-мониторов (в которых точка самостоятельно излучает свет) 0 обычно соответствует отсутствию цвета, а максимальное значение — максимальной светимости точки. Таким образом, появляется возможность задавать оттенок на монохромном мониторе.
В случае, когда используется печатающее устройство, на котором чернильная точка либо есть, либо нет, оттенок задается некоторой матрицей (например — 4 ґ 4 точки), количество чернильных точек в матрице точек будет образовывать оттенок.
В более сложных случаях, когда речь идет о кодировании сложного цвета с большим количеством оттенков, рассматривают разложение цвета на несколько отдельных компонентов, которые, смешиваясь (т.е. действуя в одной точке), образуют заданный цвет.
Компоненты цвета и способ образования из них видимого оттенка образуют цветовую модель.
Цветовые модели разрабатывались задолго до появления вычислительной техники, в психологии восприятия. Существует большое количество цветовых моделей, которые создавались и вводились разными авторами для описания и исследования зрения человека. С появлением проекционной и печатающей аппаратуры, с учетом технических требований были разработаны новые модели, учитывающие в первую очередь физические и технические аспекты формирования конкретного цвета.
Для каждого конкретного изображения все, что передается одним из компонентов цвета, также называется “каналом”.
Наиболее популярны сейчас следующие модели:
Модель восприятия HLS
Модель подразумевает образование цвета из трех основных компонентов:
Hue — оттенок цвета;
Lights — яркость;
Saturation — насыщенность.
При ее использовании считается, что все оттенки заданы на едином цветовом круге. Поэтому первый параметр задает градус поворота от эталонного оттенка (0 — белый). Остальные параметры задаются в процентах как положение между максимальными и минимальными доступными значениями.
Модель также известна под названиями HSL, HIS и другими.
Эта модель наиболее приближена к человеческому восприятию и описанию цвета. Она применяется в основном для описания цвета при анализе его восприятия человеком.
Аддитивная модель цвета RGB
В этой модели цвет образуется смешиванием трех компонентов:
Red — красный;
Green — зеленый;
Blue — голубой.
В данном случае цвет образуется из света нескольких источников (в том случае, когда источники излучают свет и он может быть “просуммирован”); модель является аддитивной.
Самыми популярными “потребителями” модели RGB являются мониторы, в которых цвет каждого пикселя растра складывается из трех компонентов, проекторы и сканеры, которые чаще всего регистрируют отраженный свет.
Именно цветовая модель RGB используется и при описании возможностей различных графических устройств. Цветовое пространство в этом случае характеризуют количеством битов, отводимых на сохранение цвета. Чаще всего используются режимы HighColor (16 бит, в соотношении 5:6:5 или 5:5:5) и TrueColor (24 бита, в соотношении 8:8:8).
Профессиональные программы обработки графической информации позволяют работать с расширенным представлением, когда на одну компоненту отводится не 8, а 16 бит.
Каждый компонент задается силой светимости, 0 соответствует отсутствию света. Таким образом, цвет 0-0-0 — это черный, цвет из равных долей каждого компонента — один из оттенков серого, а цвет с максимальными значениями компонентов — белый.
Субстрактивная модель цвета CMYK
Если необходимо сформировать цвет точки из несветящихся самостоятельно компонентов, то аддитивная модель применяться не может, поскольку формируется цвет точки не из самостоятельного излучения, а из отраженного. Поэтому для формирования цвета при печати была разработана субстрактивная — вычитающая модель цвета (удобнее рассматривать отраженную, а не поглощенную компоненту). В ней цвет формируется из трех основных компонентов:
Cyan — голубой;
Magenta — фиолетовый;
Yellow — желтый.
Эти цвета получаются вычитанием из чистого белого цветов аддитивной модели.
Формально, при смешивании в равных максимальных долях они должны давать черный цвет. Поскольку на практике точного черного цвета при смешивании не получается, то в модель добавляется компенсирующий четвертый компонент, blaсK — черный. Почему именно последняя буква взята в сокращение, точно не известно.
Эта модель формирования цвета используется при печати как в типографиях, так и в современных печатающих устройствах. В некоторых моделях для уточнения добавляют еще четыре цвета — осветленных, для достижения точности оттенков.
Следует отметить, что преобразование из трехкомпонентной модели в четырехкомпонентную не может быть математически точным и всегда проходит с некоторыми искажениями. По этой причине оборудование при профессиональном использовании требует калибровки, а печать — учета большого количества параметров.
Именно из-за использования такой модели часто при печати сложных материалов указывают “печать в три краски” или “печать в четыре краски”.
Векторная графика
Существенным недостатком растровой графики является трудность манипуляции отдельными объектами и выполнение геометрических преобразований. Одно из следствий этого — трудности в организации качественного вывода на различных устройствах и затруднения при изображении новых, не сфотографированных объектов.
Кроме того, очень быстро растет объем изображения (и необходимой для него памяти) при увеличении линейных размеров.
Для преодоления этих трудностей применяется подход, подразумевающий хранение и обработку изображения не в виде растра, а в виде некоторых отдельных элементов (графических примитивов). Элементами обычно являются математические объекты с заданными конкретными параметрами. Параметры позволяют выполнить визуализацию элементов на устройстве вывода (растеризацию), исходя из его характеристики и заданного “окна” просмотра.
Поскольку пространственное положение примитивов и способ отображения задаются с помощью координат, способ хранения и обработки получил название векторной графики.
Одним из наиболее существенных достоинств векторной формы представления изображения является ее компактность и малая зависимость объема от размеров изображения.
К минусам этой формы представления относится отсутствие общих стандартов (практически у каждого редактора есть свои собственные форматы и особенности) и высокие требования к системным ресурсам, особенно — ресурсам вычислительным.
В программах подготовки векторных изображений работа строится вокруг объектов (примитивов), обладающих некоторыми свойствами.
Наиболее распространенными примитивами являются: отрезки, прямоугольники и их производные (со сглаженными углами), эллипсы и их части, кривые Безье (математические кривые третьего порядка, задаваемые 4 точками), а также составленные из них сложные контуры. Одним из типовых объектов является текст, написанный, как правило, контурным шрифтом (векторным по сути).
Каждый объект может обладать целым рядом свойств. К ним, в частности, относят: толщину линий и способ их стыковки, цвет, заливку — способ заполнения замкнутого контура, — накладываемые на объект эффекты. Параметром является и положение объекта.
С объектами редактор векторной графики может выполнять большое количество разнообразных операций. К таким операциям относятся: повороты, масштабирование, геометрические искажения всевозможных видов, тиражирование готовых объектов. Специфика формы представления такова, что операции выполняются без искажений.
Современные редакторы векторной графики могут импортировать и использовать как готовые объекты изображения растровой графики.
Редакторы векторной графики позволяют группировать объекты и создавать таким образом сложные объекты для выполнения операций над ними как над единым целым.
Объекты могут быть упорядочены друг относительно друга, распределены на плоскости как “на поверхности”, так и “по вертикали”.
Как и программы растровой графики, программы векторной графики поддерживают работу со слоями.
Векторная графика применяется в программах автоматизированного проектирования, подготовки графических печатных материалов (плакатов, например), для подготовки анимационных роликов к публикации в сети Интернет, презентаций.
Трехмерная графика
Построение трехмерного изображения
С ростом вычислительной мощности и доступности элементов памяти, с появлением качественных графических терминалов и устройств вывода была разработана большая группа алгоритмов и программных решений, которые позволяют формировать на экране изображение, представляющее некоторую объемную сцену. Первые такие решения были предназначены для задач архитектурного и машиностроительного проектирования.
При формировании трехмерного изображения (статического или динамического) его построение рассматривается в пределах некоторого пространства координат, которое называется сценой. Сцена подразумевает работу в объемном, трехмерном мире — поэтому и направление получило название трехмерной (3-Dimensional, 3D) графики.
На сцене размещаются отдельные объекты, составленные из геометрических объемных тел и участков сложных поверхностей (чаще всего для построения применяются так называемые B-сплайны). Для формирования изображения и выполнения дальнейших операций поверхности разбиваются на треугольники — минимальные плоские фигуры — и в дальнейшем обрабатываются именно как набор треугольников.
На следующем этапе “мировые” координаты узлов сетки пересчитывают с помощью матричных преобразований в координаты видовые, т.е. зависящие от точки зрения на сцену. Положение точки просмотра, как правило, называют положением камеры.
После формирования каркаса (“проволочной сетки”) выполняется закрашивание — придание поверхностям объектов некоторых свойств. Свойства поверхности в первую очередь определяются ее световыми характеристиками: светимостью, отражающей способностью, поглощающей способностью и рассеивающей способностью. Этот набор характеристик позволяет определить материал, поверхность которого моделируется (металл, пластик, стекло и т.п.). Прозрачные и полупрозрачные материалы обладают еще рядом характеристик.
Как правило, во время выполнения этой процедуры выполняется и отсечение невидимых поверхностей. Существует много методов выполнения такого отсечения, но самым популярным стал метод
Z-буфера, когда создается массив чисел, обозначающий “глубину” — расстояние от точки на экране до первой непрозрачной точки. Следующие точки поверхности будут обработаны только тогда, когда их глубина будет меньше, и тогда координата Z уменьшится. Мощность этого метода напрямую зависит от максимально возможного значения удаленности точки сцены от экрана, т.е. от количества битов на точку в буфере.
Расчет реалистичного изображения.
Выполнение указанных операций позволяет создать так называемые твердотельные модели объектов, но реалистичным это изображение не будет. Для формирования реалистичного изображения на сцене размещаются источники света и выполняется расчет освещенности каждой точки видимых поверхностей.
Для придания объектам реалистичности поверхность объектов “обтягивается” текстурой — изображением (или процедурой, его формирующей), определяющим нюансы внешнего вида. Процедура называется “наложением текстуры”. Во время наложения текстуры применяются методы растяжения и сглаживания — фильтрация. Например, упоминаемая в описании видеокарт анизотропная фильтрация, не зависящая от направления преобразования текстуры.
После определения всех параметров необходимо выполнить процедуру формирования изображения, т.е. расчет цвета точек на экране. Процедура обсчета называется рендерингом. Во время выполнения такого расчета необходимо определить свет, попадающий на каждую точку модели, с учетом того, что он может отражаться, что поверхность может закрыть другие участки от этого источника и т.п.
Для расчета освещенности применяется два основных метода. Первый — это метод обратной трассировки луча. При этом методе рассчитывается траектория тех лучей, которые в итоге попадают в пиксели экрана — по обратному ходу. Расчет ведется отдельно по каждому из цветовых каналов, поскольку свет разного спектра ведет себя по-разному на разных поверхностях.
Второй метод — метод излучательности — предусматривает расчет интегральной светимости всех участков, попадающих в кадр, и обмен светом между ними.
На полученном изображении учитываются заданные характеристики камеры, т.е. средства просмотра.
Таким образом, в результате большого количества вычислений появляется возможность создавать изображения, трудноотличимые от фотографий. Для уменьшения количества вычислений стараются уменьшить число объектов и там, где это возможно, заменить расчет фотографией; например, при формировании фона изображения.
Анимация и виртуальная реальность
Следующим шагом в развитии технологий трехмерной реалистичной графики стали возможности ее анимации — движения и покадрового изменения сцены. Первоначально с таким объемом расчетов справлялись только суперкомпьютеры, и именно они использовались для создания первых трехмерных анимационных роликов.
Позже были разработаны специально предназначенные для обсчета и формирования изображений аппаратные средства — 3D-акселераторы. Это позволило в упрощенной форме выполнять такое формирование в реальном масштабе времени, что и используется в современных компьютерных играх. Фактически, сейчас даже обычные видеокарты включают в себя такие средства и являются своеобразными мини-компьютерами узкого назначения.
При создании игр, съемках фильмов, разработке тренажеров, в задачах моделирования и проектирования различных объектов у задачи формирования реалистичного изображения появляется еще один существенный аспект — моделирование не просто движения и изменения объектов, а моделирование их поведения, соответствующего физическим принципам окружающего мира.
Такое направление, с учетом применения всевозможных аппаратных средств передачи воздействий внешнего мира и повышения эффекта присутствия, получило название виртуальной реальности.
Для воплощения такой реалистичности создаются специальные методы расчета параметров и преобразования объектов — изменения прозрачности воды от ее движения, расчет поведения и внешнего вида огня, взрывов, столкновения объектов и т.д. Такие расчеты носят достаточно сложный характер, и для их реализации в современных программах предложен целый ряд методов.
Один из них — это обработка и использование шейдеров — процедур, изменяющих освещенность (или точное положение) в ключевых точках по некоторому алгоритму. Такая обработка позволяет создавать эффекты “светящегося облака”, “взрыва”, повысить реалистичность сложных объектов и т.д.
Появились и стандартизируются интерфейсы работы с “физической” составляющей формирования изображения — что позволяет повысить скорость и точность таких расчетов, а значит, и реалистичность создаваемой модели мира.
Трехмерная графика — одно из самых зрелищных и коммерчески успешных направлений развития информационных технологий, часто ее называют одним из основных стимулов развития аппаратного обеспечения. Средства трехмерной графики активно применяются в архитектуре, машиностроении, в научных работах, при съемке кинофильмов, в компьютерных играх, в обучении.
Заключение
За время своего существования компьютерная графика прошла путь от примитивных изображений до реалистичных. На это сильно повлияло развитие компьютеров и производства их составляющих, с помощью которых увеличивалось количество памяти, и расширялись возможности её использования. Изначально стояла проблемы вывода информации на экран, затем проблема сохранения формы и пропорций, затем проблема правильной передачи цвета и ,наконец, проблема правильной передачи объема фигур и предметов. |
