1. Компьютерная графика: история, предмет, приложения

В 1978 году компьютерную графику (КГ) называли "средством от неизвестной болезни". Прошло несколько лет, пока компьютерная графика стола основным средством связи между человеком и компьютером, постоянно расширяющим сферы своего применения.

Можно считать, что первые системы компьютерной графики появились вместе с первыми цифровыми компьютерами. Проект WHIRLWIND ("вихрь") Массачусетского технологического института был отмечен как начало эры КГ. Как отметил один из разработчиков WHIRLWIND Норм Тейлор, компьютер "содержал около четверти акра электроники (1000 кв.м) и имел дисплей". Комментатор Эдвард Мирроу, в том 1951 году провел первое "интервью" с компьютером в телевизионной программе. Тейлор заметил тогда: "Было ясно, что дисплеи привлекают внимание потенциальных пользователей, а машинное кодирование - нет

WHIRLWIND стал основой создания опытного образца командно-управляемой системы воздушной защиты, разработанной как средство преобразования данных, полученных от радара, в наглядную форму.

К середине 1960-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях КГ. Нод руководством Тирбера Мофетта и Нормана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила свою DAC-1 - систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM. К октябрю 1966 года даже Wall Street Journal уже публиковал статьи о КГ.

В конце шестидесятых - начале семидесятых в области КГ начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась. За десятилетие системы "под ключ" стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением. Итогом десятилетия для покупателей стали "проблемно-ориентированные устройства", специально предназначенные для решения конкретной задачи.

	В конце семидесятых в КГ произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Однако впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце семидесятых стала явно доминирующей.
	Возможно, наиболее знаменательным событием в области КГ было создание в конце семидесятых персонального компьютера. В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II. Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными, как улитки. Однако ПК стимулировали процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических

Конечно, ПК развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, но его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских

В конце восьмидесятых возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразуя его в стандартные форматы CAD/CAM. Однако, акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных

В 90-х стираются отличия между КГ и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией. Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудиовозможности - и вы имеете компьютерную среду мультимедиа.

Все области применения - будь то инженерная и научная, бизнес и искусство/развлечения - являются сферой применения КГ. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает устойчивый рост индустрии в данной отрасли.

Предмет компьютерной графики – автоматизированные информационные процессы, связанные с различными аспектами работы с изображениями, представленными в цифровом виде в соответствии с той или иной информационной моделью. В наиболее общей форме такие информационные процессы можно разбить на три категории:

• создание изображения при автоматическом или автоматизированном построении его информационной модели;

• модификация изображения с помощью воздействия на его информационную модель;

• преобразование изображения, представленного в формате информационной модели в объект визуальной коммуникации.

Для каждого направления кг существуют свои приложения. Фотошоп для растровой графики, Корол Драв для векторной, АвтоКад для 3D моделирования…

2. История компьютерной графики:

См вопр №1

3. Направления компьютерной графики

Научная графика. Назначение – визуализация объектов научных исследований, графическая обработка результатов расчетов; проведение вычислительных экспериментов с наглядным представлением их результатов. ·        Деловая графика. Предназначена для создания иллюстраций, часто используемых в работе различных учреждений. ·        Конструкторская графика (САПР). ·        Иллюстративная графика. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами. ·        Художественная и рекламная графика. ·        Компьютерная анимация – получение движущихся изображений на дисплее. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают всего три вида компьютерной графики: ·        Растровая. ·        Векторная. ·         Фрактальная. Часто используется в развлекательных программах.

4. Когнитивная компьютерная графика

Когнитивная 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.

Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики:

1. создание таких моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для логического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление,

2. визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания,

3. поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин.

5. Перцептивная компьютерная графика

анализ сцен или перцептивная компьютерная графика (исследование абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними);

Предмет: исследование абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках.

Первый шаг в анализе сцены - выделение характерных особенностей, формирующих графический объект(ы).

Примеры: машинное зрение (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта, например, сердца.

Итак, в основе анализа сцен (перцептивной компьютерной графики) находятся изобразительная графика + анализ изображений + специализированные средства.

6. Приложения компьютерной графики

Inkscape (Инкскейп) — векторный графический редактор, удобен для создания как художественных, так и технических иллюстраций.

Adobe Illustrator — один из популярных векторный графический редактор, разработанный и распространяемый фирмой Adobe Systems.

CorelDRAW — популярный векторный графический редактор, разработанный канадской корпорацией Corel. Текущая версия продукта — CorelDRAW Graphics Suite X4, доступна только для Microsoft Windows. Последняя версия для GNU/Linux — 9-я версия, выпущенная в 2000 году. В 2002 году вышла последняя 11-я версия для Macintosh.

Macromedia FreeHand — векторный графический редактор, разработанный фирмой Macromedia для Microsoft Windows и для Mac OS.

Adobe Photoshop — самый популярный коммерческий собственнический редактор

Adobe Fireworks(также известный как FW) — растровый и векторный графический редактор для веб-дизайнеров и разработчиков,

Corel Paint Shop Pro— растровый графический редактор, выпускаемый компанией Jasc Software с 1992 года. Позже спектр функций был расширен для работы с векторной графикой.

Corel Painter— программа, предназначенная для цифровой живописи и рисунка.

Microsoft Paint— простой растровый графический редактор компании Microsoft, входящий в состав операционной системы Windows, начиная с самых ранних версий.

Paint.NET— растровый графический редактор для Windows NT, разработанный для создания как обычных программ, так и веб-приложений.

SAI — стремительно набирающий популярность графический редактор.

trueSpace, пожалуй, самый мощный из всех бесплатных редакторов трехмерной реальности.

Blender бесплатная программа для создания и редактирования 3D графики. Функций этого пакета вполне достаточно для работы как обычным пользователям, так и профессионалам.

Insofta 3D Text Commander - самая удобная программа для создания трёхмерных текстов.

AutoCAD — двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности.

Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) — полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации

7. Виртуальная реальность

Понятие искусственной реальности было впервые введено Майроном Крюгером (англ. Myron Krueger) в конце 1960-х. В 1964 году Станислав Лем в своей книге «Сумма Технологий» под термином «Фантомология» описывает задачи и суть ответа на вопрос «как создать действительность, которая для разумных существ, живущих в ней, ничем не отличалась бы от нормальной действительности, но подчинялась бы другим законам?». Первая система виртуальной реальности появилась в 1962 году, когда Мортон Хейлиг (англ. Morton Heilig) представил первый прототип мультисенсорного симулятора, который он называл "Сенсорама" (Sensorama). Сенсорама погружала зрителя в виртуальную реальность при помощи коротких фильмов, которые сопровождались запахами, ветром (при помощи фена) и шумом мегаполиса с аудиозаписи. В 1967 году Айвен Сазерленд (англ. Ivan Sutherland) описал и сконструировал первый шлем, изображение на который генерировалось при помощи компьютера. Шлем Сазерленда позволял изменять изображения соответственно движениям головы (зрительная обратная связь).

В 1970-х годах компьютерная графика полностью заменила видеосъемку, до того использовавшуюся в симуляторах. Графика была крайне примитивной, однако важным было то, что тренажеры (это были симуляторы полетов) работали в режиме реального времени. Первой реализацией виртуальной реальности считается «Кинокарта Аспена» (Aspen Movie Map), созданная в Массачусетском Технологическом Институте в 1977 году. Эта компьютерная программа симулировала прогулку по городу Аспен, штат Колорадо, давая возможность выбрать между разными способами отображения местности. Летний и зимний варианты были основаны на реальных фотографиях.

В середине 1980-х появились системы, в которых пользователь мог манипулировать с трехмерными объектами на экране благодаря их отклику на движения руки. В 1989 году Джарон Ланьер ввёл более популярный ныне термин «виртуальная реальность». В фантастической литературе поджанра киберпанк виртуальная реальность есть способ общения человека с «киберпространством» — некой средой взаимодействия людей и машин, создаваемой в компьютерных сетях.

В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности: проектировании и дизайне, добыче полезных ископаемых, военных технологиях, строительстве, тренажерах и симуляторах, маркетинге и рекламе, индустрии развлечений и т. д.^[10] Объём рынка технологий виртуальной реальности оценивается в 15 млрд долларов в год.^[11]

Виртуа́льная реа́льность, ВР, искусственная реальность, электронная реальность, компьютерная модель реальности (от лат. virtus — воображаемый, мнимый и лат. realis — вещественный, действительный, существующий; англ. virtual reality, VR) — созданный техническими средствами мир (объекты и субъекты), передаваемый человеку (посетителю этого мира) через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и другие. Виртуальная реальность имитирует как воздействие, так и реакции на воздействие. Для создания убедительного комплекса ощущений реальности компьютерный синтез свойств и реакций виртуальной реальности производится в реальном времени.

Объекты виртуальной реальности обычно ведут себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности. Пользователь может воздействовать на эти объекты в согласии с реальными законами физики (гравитация, свойства воды, столкновение с предметами, отражение и т. п.). Однако часто в развлекательных целях пользователям виртуальных миров позволяется больше, чем возможно в реальной жизни.

8. Геометрическое моделирование и задачи, решаемые геометрическим моделированием

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ — совокупность операций и процедур, включающих формирование геометрической модели объекта и ее преобразование с целью получения желаемого изображения объекта и определения его геометрических свойств. Изображения изделий могут быть аксонометрическими или выполненными по правилам проекционного черчения. Среди рассчитанных при геометрическом моделировании параметров деталей типичны координаты центра масс, моменты инерции, объем и масса.

Геометрическое моделирование, являясь одним из направлений математического моде-лирования, все шире используется для решения сложных задач конструирования различных объектов и процессов.

Начертательная геометрия решает прямые и обратные задачи, которые заключаются в следующем: по данной поверхности на носителе (кривой (прямой), поверхности (плоскости)) с помощью аппарата проецирования получить модели; по данной модели и аппарату проецирования сконструировать поверхность. При решении прямой задачи данная поверхность расслаивается в пучке плоскостей с собственной или несобственной осью.

Геометрическое моделирование решая обратную задачу - по данной моделям конструирует поверхности. В этом случае в качестве моделей выступают табличные данные, устанавливающие на осях системы координат определенные соотношения. При этом необходимо, чтобы в одном направлении, например, оси ординат, сохранялось взаимно однозначное соответствие, необходимое требование для конструирования единственной поверхности.

9. Виды компьютерной графики

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических 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.

Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой.

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

Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается «красивым» видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании

Фрактальная графика.

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

Трёхмерная графика (3D — от англ. three dimensions — «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). В компьютерной графике используется три вида матриц:

• матрица поворота

• матрица сдвига

• матрица масштабирования

Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного.

10. Растровая графика

См вопр. 9

11. Векторная графика

См вопр 9

12. Математические основы векторной графики

Рассмотрим подробнее способы представления различных объектов в векторной графике.

Точка. Этот объект на плоскости представляется двумя числами (х, у), указывающими его положение относительно начала координат.

Прямая линия. Ей соответствует уравнение y=kx+b. Указав параметры k и b, всегда можно отобразить бесконечную прямую линию в известной системе координат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров.

Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует для описания еще двух параметров – например, координат x1 и х2 начала и конца отрезка.

Кривая второго порядка. К этому классу кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии, уравнения которых содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка не имеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривых второго порядка. Формула кривой второго порядка в общем виде может выглядеть, например, так:x2+a1y2+a2xy+a3x+a4y+a5=0.

Таким образом, для описания бесконечной кривой второго порядка достаточно пяти параметров. Если требуется построить отрезок кривой, понадобятся еще два параметра.

Кривая третьего порядка. Отличие этих кривых от кривых второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Например, график функции у = x3 имеет точку перегиба в начале координат. Именно эта особенность позволяет сделать кривые третьего порядка основой отображения природных объектов в векторной графике. Например, линии изгиба человеческого тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второго порядка, как и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.

В общем случае уравнение кривой третьего порядка можно записать так: x3+a1y3+a2x2y+a3xy2+a4x2+a5y2+a6xy+a7x+a8y+a9=0.

Таким образом, кривая третьего порядка описывается девятью параметрами. Описание ее отр

езка потребует на два параметра больше.

Рисунок 5 Кривая третьего порядка (слева) и кривая Безье (справа)

0. Кривые Безье. Это особый, упрощенный вид кривых третьего порядка (см. рис. 5). Метод построения кривой Безье (Bezier) основан на использовании пары касательных, проведенных к отрезку линии в ее окончаниях. Отрезки кривых Безье описываются восемью параметрами, поэтому работать с ними удобнее. На форму линии влияет угол наклона касательной и длина ее отрезка. Таким образом, касательные играют роль виртуальных “рычагов”, с помощью которых управляют кривой.

13. Обзор программных средств обработки растровой, векторной и трехмерной графики

См вопр. 6

14. Фрактальная графика

См вопр 9

15. Трехмерная графика

См вопр 9.

16. Понятие разрешения в КГ

Качество компьютерного изображения определяется многими факторами. Одним из ключевых является понятие разрешения.

Вне зависимости от того, сохраняете ли вы изображение на жестком диске, про­сматриваете на мониторе или выводите на печать, изображение формируется из крошечных элементов. Как вы уже знаете из предыдущих глав, они называются пикселами. Именно количество пикселов в изображении и обозначают термином разрешение (иногда под разрешением понимают расстояние между пикселами, что, впрочем, одно и то же).

Т ермин разрешение тесно связан с другим термином — размер изображения, кото­рый определяет физическую длину и ширину изображения. Преимущество использования пикселов в качестве единицы измерения размера изображения состоит в том, что в данном случае размер изображения получается как бы зафиксированным.

Например, когда мы говорим о фотографии размером 900 х 600 пикселов, вы мо­жете представить себе, насколько она велика. В случае использования других еди­ниц измерения реальный размер изображения будет зависеть от его разрешения. Так, если вам дадут цифровую фотографию размером 3x2 дюйма, то вы вынужде­ны будете уточнить: «При каком разрешении?»

Однако в реальной жизни связанная с разрешением терминология не так одно­значна, как может показаться на первый взгляд. В зависимости от устройства, на котором выводится изображение, возможно использование следующих единиц измерения разрешения:

•       spi (sample per inch) — элементов на дюйм;

•       dpi (dot per inch) — точек на дюйм;

•       ppi (pixel per inch) — пикселов на дюйм;

•       lpi (line per inch) — линий на дюйм.

И все же, несмотря на то, что пикселы, точки и элементы характеризуют разные аспекты изображения, между ними много общего. Пиксел является основным эле­ментом (кирпичиком) растровых изображений. Это единица измерения, приня­тая в компьютерной графике, аналогичная привычным для нас сантиметру или литру в повседневной жизни.

Время от времени вы встречаетесь с упоминанием других терминов компьютерной графики: точки и элементы. И пикселы, и точки, и элементы используются для измерения объема работы, выполняемой на различных этапах создания цифрово­го изображения. По этой причине, а также из-за некорректного использования их профессионалами пользователь часто воспринимает эти понятия как одно и то же.

Терминологическая путаница в этом вопросе усугубляется еще тем, что часто в ка­честве универсальной единицы измерения используется единица dpi. Результат — еще меньше определенности. Так, сочетание 300 dpi может характеризовать мо­дель сканера и лазерного принтера. Для одних величина 2400 dpi ассоциируется со сканером, а для других — с фотонаборным автоматом. Значение 72 dpi может быть связано с разрешением монитора, но может быть и частотой растра в газете.

Для устранения этих заблуждений мы попытаемся далее установить различие меж­ду пикселами, точками и элементами. Но прежде, чем это сделать, вначале коснем­ся основных этапов обработки изображения. Это необходимо прежде всего для понимания физических процессов, лежащих в основе формирования понятий раз­личных типов разрешения.

17. Графические объекты, примитивы и их атрибуты

Графических объектов не так уж и много:

• Точка. Изображение можно рисовать точками. Наиболее простой метод, так как для него достаточно вызова лиш одной функции SetPixel() (ровно как и для чтения GetPixel()). В принципе, точка не является графическим объектом, так как она не существует как объект и рассматривается здесь лишь как одна из возможностей получения изображения.

• Перо. Изображение можно рисовать перьями (как корандашом на листе бумаги). Перо обладает толщиной, цветом и типом линии (сплошная, прерывистая, точечная и т. п.). Перед использованием перо создается как объект.

• Кисть. Предопределенный системой или созданный программистом набор пикселов, который, как единое целое, может быть отображен на экране монитора.     Кисти используются в функциях для заполнения внутренних областей замкнутых фигур и фонов окон (аналогично сплошной закраске). Перед использованием кисть создается как объект.

• Растровые изображения. Набор байт, содержащий значения цветов и информацию о координатах для отображения на экране пикселов, в совокупности составляющих изображение. Это картинки, фоны, графические элементы (кнопки, меню, иконки) и т. п. Перед использованием растровые изображения могут быть созданы программно или использоваться как заранее созданные и хранящиеся в файлах, ресурсах и т.д.

• Шрифты. Это либо набор пикселов (растровое изображение) для матричных шрифтов, либо набор кривых, описывающих контур отображаемых букв для векторных шрифтов (например шрифты True Type). Перед использованием шрифты могут быть созданы программно или используются заранее подготовленные и установленные в системе шрифты.

Под графическими примитивами понимаются минимальные графические объекты, которые составляют векторный рисунок. К графическим примитивам в OpenDraw относятся: линии и стрелки; прямоугольники; окружности, эллипсы, дуги, сегменты и секторы; кривые; соединительные линии; трёхмерные объекты (куб, шар, цилиндр и т. д.); текст. Из графических примитивов могут быть составлены более сложные объекты при помощи функции комбинирования и логических операций над формами. Атрибуты примитивов – это их свойства, а т.е. толщина линий, цвет, длина..

18. Представление видеоинформации и её машинная генерация

При растровой графике изображение представляется с помощью набора пикселей, имеющих различные характеристики. Пиксель – это наименьший и неделимый элемент изображения, как правило имеющий форму квадрата. Каждый пиксель имеет своё значение определённого цвета, яркости и прозрачности. Растровое изображение как мозаика формируется из этих маленьких кубиков, каждый из которых вносит свой маленьких вклад в общее изображение, задавая его форму и цвет. Поскольку пиксели очень маленькие, мы их не замечаем, воспринимая всё изображение в целом. Но если увеличить и присмотреться, то мы увидим, что даже плавные линии и округления состоят из совокупности квадратиков с прямыми углами, каждый из которых на чуть-чуть выступает из общей дуги, формируемой множеством пикселов.

При использовании векторной графики изображение формируется из совокупности отдельных простеньких геометрических фигур – геометрических примитивов -- каждый из которых задаётся с помощью соответствующего ему математического описания. Такими примитивами может быть точка, прямая, прямоугольник, окружность или фигура некоторого вида, называемая сплайном. У каждого примитива (геометрической фигуры) есть свои параметры, называемые атрибутами, например, толщина линии или цвет заполнения. У окружности этими параметрами являются:

Радиус окружности

Координаты центра окружности

Цвет и толщина контура окружности

Цвет самой окружности

Таким образом, все графические примитивы описываются с помощью математических выражений, которые при работе с векторным изображением или при его выводе на экран рассчитывает сам компьютер. Сам графический файл содержит набор координат и параметры каждого графического примитива в отдельности

Представление   видеоинформации  – способ кодирования изображения, принятый в технических устройствах отображения информации. Форма сигнала, описывающая изображение, интерпретируемая техническими средствами в изображение.

 Машинная   генерация   видеоинформации  – формально-логические способы преобразования  и  синтеза  видеоинформации , осуществляемые техническими средствами.

19. Графические языки

Графический язык является синтетическим, поскольку сочетаeт в себе различные системы записи информации: изобразительную и знаковую. С его помощью можно не только сохранять, но и читать информацию об изделии.

Под изобразительной системой графического языка понимается единство и взаимодействие трех ее составляющих: 1) метода изобразительной системы — метода проецирования; 2) правил использования элементов изобразительной системы графического языка (точек, линий, контуров); 3) изображения объекта (проек­ции объекта на плоскости).

Примерами изобразительных систем могут служить: а) линейная перспектива (рис. 20, а), используемая для по­лучения и чтения изображений архитектурных сооружений (основные ее законы и правила вы изучали и использовали на уроках изобразительного искусства, строя перспективу улиц, изо­бражая предметы с натуры н т. д.д.); б) купольная и панорамная пер­спективы, которые используют художники для росписи куполов храмов и создания панорам (например, Бородинская панорама в Москве); в) параллельное проецирование на одну плоскость (рис. 20, в, г) и не­сколько взаимно перпендикулярных плоскостей проекций (рис. 20, б), позволяющих выполнять и читать чертежи технических, дизайнерских, архитектурных проектов, аксонометрических проекций и др.; г) изобра­жения с числовыми отменами, используемые для создания топографи­ческих карт.

Знаковая система графического языка представляет собой со­вокупность условных знаков, цифр, букв, текстов, позволяющих уточнять геометрическую форму изображаемого объекта и мет­рическую информацию о нем (рис. 21). Кроме того, знаковая сис­тема несет в себе самостоятельную информацию технического и технологического характера, необходимую для изготовления и сборки изделия на производстве.

Изобразительную и знаковую системы графического языка вы будете изучать на уроках черчения.

Графический язык можно назвать языком делового, меж­дународного общения, так как его изобразительную систему составляют графические образы, получаемые методом про­ецирования, понятные без слов. а знаковая система языка общепринята.

С помощью графического языка можно мысленно создавать пространственные образы формы объектов и оперировать ими, отображать новые конструкторские, дизайнерские идеи, архитек­турные замыслы, а также необходимые данные для их воплоще­ния. Информацию об изделии, записанную с помощью графиче­ского языка, можно сохранять на дубликатах чертежей, электро-магнитных дисках и т. п. При необходимости они могут переда­ваться в различные отечественные и зарубежные организации.

Графический язык используется в науке, производстве, строи­тельстве, архитектуре, дизайне. Его называют языком техники.

Языки: COMPAC, СИМАК-Д, АРТ

20. Кодирование графической информации

Изображение передают сигналы, имеющие аналоговую, непрерывную форму. Поэтому они преобразуются в дискретную форму путем дискретизации, т.е. разбиения непрерывного графического изображения на отдельные элементы. 

     В процессе дискретизации производится кодирование, т.е. присвоение каждому элементу конкретного значения в форме двоичного кода.

      Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами - как растровое и векторное изображение. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.

     Растровое изображение состоит из отдельных точек (пикселей - от англ. pixel - элемент изображения). На изображение накладывается прямоугольная сетка - растр, которая позволяет разбить рисунок на конечное количество элементов - пикселей.

     Каждая такая точка изображения имеет свой цвет, который кодируется двоичным кодом.

     Векторное изображение - это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изоражения является линия. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной., цветом, начертанием (пунктирная, сплошная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значительно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами.    

В видеопамяти любое изображение представляется в растровом виде. Экран монитора разбит на фиксированное число пикселей.

     Разрешающая способность экрана монитора - размер растра, задаваемого в виде произведения MxN, где М - количество точек по горизонтали, N - количество точек по вертикали (число строк).

     Количество цветов, воспроизводимых на экране монитора (K), и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (i) (битовая глубина), связаны формулой:

К=2ⁱ .

     Объем видеопамяти, необходимой для хранения одной страницы изображения:

V=i•M•N.

21. Цветовые модели RGB. CMY. YIQ. HSV и HLS

Цветовая модель RGB. В основе одной из наиболее распространенных цветовых моделей, называемой RGB моделью, лежит воспроизведение любого цвета путем сложения трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каждый канал - R, G или B имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете. Например: (255, 64, 23) – цвет, содержащий сильный красный компонент, немного зелёного и совсем немного синего. Естественно, что этот режим наиболее подходит для передачи богатства красок окружающей природы. Но он требует и больших расходов, так как глубина цвета тут наибольшая – 3 канала по 8 бит на каждый, что  дает в общей сложности 24 бита.

Поскольку в RGB модели происходит сложение цветов, то она называется аддитивной (additive). Именно на такой модели построено воспроизведение цвета современными мониторами.

Цветовым пространством RGB модели является единичный куб.

 

 

Рис. 1.7. Цветовое пространство RGB модели

Модель CMY использует также три основных цвета: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный, или малиновый) и Yellow (желтый).  Эти цвета описывают отраженный от белой бумаги свет трех основных цветов RGB модели. Поэтому можно описать соотношения между RGB и CMY моделями следующим образом:

               .

 

 

Модель CMY является субтрактивной (основанной на вычитании) цветовой моделью. Как уже говорилось, в CMY-модели описываются цвета на белом носителе, т. е. краситель, нанесенный на белую бумагу, вычитает часть спектра из падающего белого света. Например, на поверхность бумаги нанесли голубой (Cyan) краситель. Теперь красный свет, падающий на бумагу, полностью поглощается. Таким образом, голубой носитель вычитает красный свет из падающего белого.

Такая модель наиболее точно описывает цвета при выводе изображения на печать, т. е. в полиграфии.

Поскольку для воспроизведения черного цвета требуется нанесение трех красителей, а расходные материалы дороги, использование CMY-модели является не эффективным. Дополнительный фактор, не добавляющий привлекательности CMY-модели, – это появление нежелательных визуальных эффектов, возникающих за счет того, что при выводе точки три базовые цвета могут ложиться с небольшими отклонениями. Поэтому к базовым трем цветам CMY-модели добавляют черный (blacK) и получают новую цветовую модель CMYK.

Цветовые модели HSV и HLS. Рассмотренные модели ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой и для некоторых людей неудобны. Поэтому модели HSV, HLS опираются на интуитивные понятия тона насыщенности и яркости.

В цветовом пространстве модели HSV (Hue, Saturation, Value), иногда называемой HSB (Hue, Saturation, Brightness), используется цилиндрическая система координат, а множество допустимых цветов представляет собой шестигранный конус, поставленный на вершину.

Основание конуса представляет яркие цвета и соответствует V = 1. Однако цвета основания V = 1 не имеют одинаковой воспринимаемой интенсивности. Тон (H) измеряется углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси OV. При этом красному цвету соответствует угол 0, зелёному – угол 120 и т. д. Цвета, взаимно дополняющие друг друга до белого, находятся напротив один другого, т. е. их тона отличаются на 180. Величина S изменяется от 0 на оси OV до 1 на гранях конуса.

Конус имеет единичную высоту (V = 1) и основание, расположенное в начале координат. В основании конуса величины H и S смысла не имеют. Белому цвету соответствует пара S = 1, V = 1. Ось OV (S = 0) соответствует ахроматическим цветам (серым тонам).

Процесс добавления белого цвета к заданному можно представить как уменьшение насыщенности S, а процесс добавления чёрного цвета – как уменьшение яркости V. Основанию шестигранного конуса соответствует проекция RGB куба вдоль его главной диагонали.

 

Рис. 1.8. Цветовое пространство HSV модели

 

Еще одним примером системы, построенной на интуитивных понятиях тона насыщенности и яркости, является система HLS (Hue, Lightness, Saturation). Здесь множество всех цветов представляет собой два шестигранных конуса, поставленных друг на друга (основание к основанию).

 

Рис. 1.9. Цветовое пространство HLS-модели

YIQ — цветовая модель. Цвет представляется как 3 компоненты — яркость (Y) и две искусственных цветоразностных (I и Q). Сигнал I называется синфазным, Q - квадратурным

Модель применяется в телевещании по стандартам M-NTSC и M-PAL, где полоса частот видеосигнала заметно меньше, чем в других телевизионных стандартах. Яркостная компонента содержит «черно-белое» (в оттенках серого) изображение, а оставшиеся две компоненты содержат информацию для восстановления требуемого цвета.

Использование модели YIQ было вынужденной мерой. Психофизиологические исследования выяснили, что разрешающая способность глаза в цвете меньше, чем в яркостной составляющей, и глаз, таким образом, мало чувствителен к цвету мелких деталей. За счёт этого при создании совместимой системы цветного телевидения удалось уменьшить полосу частот цветоразностных (не содержащих яркостной информации, в отличие от сигналов основных цветов R, G и B) в три-четыре раза. Чтобы уменьшить заметность помехи от цветоразностных сигналов на чёрно-белых телевизорах, она должна быть как можно более мелкой, что соответствует большей частоте поднесущей. Но при этом верхняя боковая полоса сигнала цветности подавлялась даже при уменьшении полосы пропускания вчетверо, что при квадратурной модуляции приводило к искажению цветовых оттенков.

Дальнейшие исследования установили, что к цветовым переходам разного рода глаз имеет разную чувствительность, что позволило сгруппировать т.наз. "тёплые" и "холодные" оттенки, и в одной группе уменьшить разрешающую способность ещё в три раза. Теперь для передачи одного из сигналов было достаточно полосы всего в 0,5 МГц, при этом верхняя и нижняя боковые полосы передавались без ограничений.

На фазовой плоскости (если представить R-Y как вертикальную ось, а B-Y, как горизонтальную) сигналы I и Q повёрнуты относительно них на 33 градуса.

22. Графические метафайлы (GKSM. Стандарт метафайла ISO н др.). Предложения по графическим метафайлам

Графический метафайл представляет собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Он обеспечивает возможность запоминать графическую информацию единым образом, передавать ее между различными системами и интерпретировать для вывода на различные устройства. Характеристики метафайла определяются его функциональными возможностями и способом кодирования информации.

Метафайл обычно разрабатывается как составная часть какой либо графической системы. При этом его функциональные возможности однозначно соответствуют возможностям этой системы. Способ кодирования выбирается в по с одному из следующих критериев:

- минимальность объема кодированной информации,

- минимальность времени для кодирования и декодирования,

- наглядность (возможность чтения и редактирования).

В зависимости от выбранного способа кодирования метафайл может использоваться в качестве средства хранения и передачи изображений, протокола взаимодействия отдельных подсистем, языка описания изображений.

Стандарт метафайла ISO призван стать описанием базового файла для хранения и передачи изображений, не зависящего от конкретных устройств и систем.

GKSM - стандарт de-facto на графический метафайл в рамках системы GKS (приложение "Е" к стандарту GKS). По функциональным возможностям GKSM полностью соответствует системе GKS, поэтому он легко интерпретируется в соответствующих стандарту системах GKS. Кодирование в GKSM текстовое, что позволяет просматривать и редактировать метафайл GKS.

CGM - стандарт ISO на графический метафайл. Функционально CGM соответствует стандарту CGI. В CGM предусмотрены три способа кодирования - символьное, двоичное и текстовое. Символьное кодирование наиболее компактно и предназначено для хранения и транспортировки информации. Двоичное кодирование требует минимальных усилий по кодированию/декодированию и предназначено для внутрисистемного использования. Текстовое кодирование наиболее наглядно и обеспечивает возможность визуального просмотра и редактирования графических файлов.

NAPLPS - стандарт на представление графических данных в сетях VIDEOTEX. Основными требованиями при разработке этого протокола были следующие: возможность передачи графической информации в потоке алфавитно-цифровых данных, минимальность объема передаваемых данных, минимальность усилий для интерпретации и возможность вывода изображений на простейшие устройства. Обеспечение этих требований привело к тому, что был разработан эффективный способ упаковки графической информации в семи- или восьмибитные коды ASCII. Эти же требования привели к ограничению функциональных возможностей протокола, что не позволяет получить высокое качество изображений при использовании. современных графических устройств.

HPG - стандарт компании Hewlett-Packard на протокол взаимодействия с графическими устройствами (в первую очередь графопостроителями), выпускаемыми этой фирмой. Он содержит небольшое количество графических функций, легко читается и интерпретируется. В некоторых графических системах на персональных компьютерах HPGL используется в качестве графического метафайла.

23. Архитектура графических рабочих станций

Рабочие станции (иногда называют "графические станции") появились в конце 70-х как результат сбалансированного объединения лучших технологий: построение процессоров, работа с графическими объектами и устройствами, организация ввода/вывода, организация связи - в одной системе, удобной для решения инженерных задач.

Многие идеи, появившиеся в 80-е годы, наложили свой отпечаток на рабочие станции, построенные, в основном, из стандартных компонент. Что, в свою очередь, отразилось на производстве компьютеров: увеличение роли ОС Unix, рождение концепции "открытых систем", разработка новых стратегий производителями компьютеров.

В начале 90-х производительность рабочих станций по многим параметрам приблизилась к большим машинам (mainframe). По закону Джой такой показатель как MIPS удваивается каждые два года с 1 MIPS в 1984 до 64 MIPS в 1990. Наибольшие отличия сегодня можно обнаружить в направлении наиболее быстрого развития - визуализации 3D объектов и росте интерактивных возможностей, - поднимающем производительность труда исследователей и инженеров.

В течении длительного времени было довольно трудно сравнивать производительность рабочих станций, особенно в области графики. Но сейчас ситуация изменилась. В связи с достижением согласия в области стандартов, таких как Unix, X Window, Phigs+ , стало гораздо легче разработать и применить процедуры для оценки производительности рабочих станций. А также, что не менее важно, одинаковым образом проинтерпретировать полученные результаты.

Суперстанции

Суперстанция (superworkstation) - это соединение в одной системе возможностей рабочей станции (3D графика, интегрированность) и суперкомпьютера (быстрый ввод/вывод, векторизация вычислений). В настоящее время на западном рынке представлено около 120-ти моделей рабочих станций и 20-ти моделей Х-терминалов. Среди них около 20-ти можно считать суперстанциями, отобранными, например, по производительности при работе с 3D графикой.

Типичную суперстанцию можно описать, как организованную эффективным образом систему из следующих компонент:

 одно или несколько 32/64-битных ЦПУ с кэш-памятью;

 сопроцессоры с плавающей запятой и/или векторный;

 графическая подсистема с процессором, кадровым буфером и Z-буфером;

 не менее чем 32-битная внутренняя шина;

 сетевой контроллер (FDDI, Ethernet Token Ring);

 быстрый дисковый контроллер (IPI, SCSI ...);

 от 16 до 256 мегабайт внутренней памяти;

 стандартная шина ввода/вывода (VME, EISA, MCA ...) для подключения периферийных устройств (диска, магнитофона ...);

 один или несколько асинхронных портов;

 монитор, клавиатура, мышь;

 Unix, X Window, NFS, PHIGS, GKS, C, Fortran, TCP-IP, NCS, эмуляторы графических терминалов, средства отладки ...

Технические характеристики некоторых суперстанций приведены в таблицах 1-4 раздела 6.

Ближайшие перспективы

Рабочие станции развиваются более динамично, чем другие классы компьютеров: рост рынка, снижение цен, рост производительности. Современные достижения в областях: ЦПУ, шины, графика, ОС, диски,  могут быть использованы в рабочих станциях.

Указанные процессы приведут к тому, что:  возрастет общая производительность рабочих станций;  увеличатся периферийные возможности;  улучшится программное обеспечение;  улучшатся эргономические характеристики рабочих станций.

Анализируя тенденции развития архитектур растровых графических рабочих станций (ГРС), ориентированных на интерактивную графику можно отметить, что за последние годы сформировалась и стала традиционной архитектура, включающая центральный процессор и растровую графическую дисплейную систему. Центральный процессор выполняет функции обмена информацией между ГРС и внешним миром (базовой ЭВМ или вычислительной сетью), диспетчеризации потоков данных между компонентами рабочей станции и предварительной обработки данных. Растровая графическая дисплейная система осуществляет функции формирования и модификации наборов данных в памяти изображения (видеопамяти) и управляет режимами вывода графической информации на растровый монитор.

Растровая графическая система современной архитектуры состоит из следующих функциональных компонент:

1. Видеопамять служит для хранения графических данных в растровой форме.

2. Графический процессор (либо несколько таких процессоров и, возможно, геометрический процессор) реализует основные функции по формированию изображений в видеопамяти. В современных 2D системах графические процессоры, как правило, выполняют два класса операций: преобразование графических примитивов в растровую форму (функционально-растровые преобразования) и копирование прямоугольных блоков видеопамяти (растровые операции - Raster Op [79]).

3. Видеоконтроллер формирует управляющие сигналы для организации доступа к видеопамяти со стороны графических процессоров (возможно, и со стороны центрального процессора), а также обеспечивает регенерацию экранного буфера видеопамяти - части видеопамяти, отображаемой на экран монитора. Кроме этого в состав видеоконтроллера, как правило, входит аппаратура управления графическим монитором, схемы таблицы цветности для управления оттенками цветов и градациями яркости изображения и, возможно, средства поддержки ряда атрибутов изображения таких ка, например, мерцание, подсветка, наложение и т.п.

В растровых дисплейных системах видеопамять организована в виде прямоугольного массива точек. Элемент видеопамяти, стоящий на пересечении конкретных строки и столбца видеопамяти, хранит значение яркости и/или цвета соответствующей точки. Отображаемая на экране часть видеопамяти называется экранным буфером (буфером регенерации или экранной битовой картой). Регенерация изображения осуществляется последовательным построчным сканированием экранного буфера.

Так как каждый элемент видеопамяти определяет один элемент отображения размером в точку на экране монитора, то каждая точка экран (и соответствующий ей элемент видеопамяти) обозначаются термином пиксел (pixel - picture element).