1.Анализ и синтез изображений, растровая и векторная графика. Компьютерная и инженерная графика как наука и индустрия. Основные понятия и определения.

Понятия компьютерной графики.

Компьютерная графика (computer graphics) - генерация, представление, обработка и оценка изображений и элементов изображений с помощью вычислительной техники, манипулирование ими, а также установление связи между изображениями и информацией неграфической природы. Иными словами, компьютерная графика включает в себя обеспечение ввода, вывода хранения и преобразования графической информации под управлением компьютера.

Пиксель (pixel) - минимальный элемент растровой строки, который может дискретно управляться графической системой. Пиксель в общем случае нельзя связывать с минимальным размером светящегося элемента дисплея или диаметром иглы принтера. Атрибутами пикселя являются только цвет (или яркость) и значения координат, используемые для определения его горизонтальной и вертикальной позиции в некоторой плоскости (например, плоскости изображения). При создании изображений для заливки поверхностей (граней) в качестве шаблона (маски) используют растровые изображения - текстуры (texture). Для описания дискретного элемента такой текстуры вводят понятие тексель (texel). Сходное по смыслу понятие воксель (voxel -volume picture element) представляет собой элемент объёмного растра и используется в моделировании объёмных трёхмерных графических объектов.

Растровое - изображение, сформированное в виде совокупности пикселей. В настоящее время это доминирующий способ результирующего представления графической информации (на растровых дисплеях и принтерах). Также используют близкое понятие битового массива (bitmap) - растр, который сохраняется в памяти или на диске. Особенность растрового изображения в том, что его размер в несжатом виде, а следовательно и скорость загрузки не зависят от сложности изображения. Преимуществом является простой, а значит и быстрый способ отображения битовой плоскости изображения на растровых устройствах визуализации. Недостаток такого изображения в том, что его нельзя произвольно масштабировать, так как при уменьшении возможно выпадение отдельных рядов пикселей, а увеличение приводит только к увеличению размеров пикселей. Растровый тип изображений удобен для хранения изобразительной графики, при этом для хранения растровых данных разработаны достаточно эффективные алгоритмы сжатия.

Векторное - изображение, созданное с помощью отдельных линий, прямых или кривых. Качество векторной визуализации обуславливается точностью вывода (требуются устройства, поддерживающие векторную визуализацию: графопостроители или векторные дисплеи) и номенклатурой поддерживаемых базовых графических примитивов (линий, дуг, кривых, эллипсов) . Основное преимущество - удобство масштабирования, с возможностью проработки на одном изображении элементов с сильно различающимися размерами. Кроме того, преимущество векторной графики в том, что форма, пространственное положение и цвет объектов описывается с помощью математических формул. Это обеспечивает сравнительно небольшие размеры файлов изображений и независимость от разрешения печатающего устройства или монитора. Для воспроизведения векторного изображения обычно необходимо достаточно сложное программное обеспечение, понимающее и корректно исполняющее весь нетривиальный протокол рисующих команд, записанных в файле векторного графического формата. При этом чем сложнее изображение - тем более длинным является соответствующий файл и тем дольше это изображение прорисовывается.

Векторизация - преобразование растрового изображения в векторное. В большинстве случаев эта операция влечёт за собой потерю информации об отдельных элементах изображения, которые программа векторизации не умеет корректно описать (в большинстве случаев количество кривых минимизируется намеренно). Обратная операция соответственно - растеризация. Эта операция технически более простая, но при этом мы лишаемся возможности произвольного масштабирования созданного изображения.

Визуализация изображений - основная функция компьютерной графики (наряду с анализом и синтезом изображений). В случае синтеза изображений происходит переход информации неграфической природы (например, значение в регистре платы измерительного устройства) в графическую (график измеряемой этим устройством величины). При анализе изображений идёт преобразование графической информации (например, штрих-код товара) в неграфическую (информация о производителе и дате выпуска).

Обработка изображений - синоним редактирования изображений. При этом графическая природа информации не изменяется, меняются только характеристики изображения (яркость, чёткость, гладкость линий и т.д.). Обработка изображений относится к функции синтеза изображений, хотя и является непременным атрибутом программ анализа изображений (например, предварительная обработка отсканированного изображения перед его распознаванием).

Распознавание изображений - получение описания изображённых объектов. Цель распознавания может формулироваться по-разному - выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документов или условных знаков на изображении географической карты) для их дальнейшей интерпретации человеком; классификация изображения, т.е. принятие определённого решения исходя из результатов анализа (работа системы самонаведения межконтинентальной ракеты, установление персоны по анализу отпечатков пальцев). Распознавание изображений связано с функцией анализа изображений.

Машинная, инженерная, компьютерная графика. Основные направления современной компьютерной графики.

Компьютерная графика стала основным интерфейсом взаимодействия человека и компьютера. Все аспекты современной компьютерной графики (а в историческом срезе - машинной графики вообще) охватить практически невозможно. В современном обществе компьютерную графику можно представить себе как индустрию, в каждую из сторон своего развития включающую всё новые и новые финансовые, научные, производственные и человеческие ресурсы. Рассмотрим лишь три условных среза многочисленных направлений компьютерной графики.

a. Изобразительная компьютерная графика

связи: изобразительное искусство, дизайн

задачи: создание высокохудожественных изображений (плоских или [квази]объёмных)

приоритетные направления: создание реалистичных трёхмерных изображений, редактирование видеоданных, Web-дизайн

примеры программных средств: Adobe Photoshop (редактирование растровых изображений), Corel Draw (создание векторных изображений), Adobe Premiere (редактирование видеофильмов), Discreet 3D Studio MAX и Alias-Wavefront Maya (создание реалистичных трёхмерных изображений), Macromedia Flash (создание интерактивной Web-графики)

рынок: создание видео- и кинопродукции, реклама и оформление различных видов.

b. Научная графика

связи: математика

задачи: визуализация и обработка результатов измерений или моделирования

приоритетное направление: когнитивная компьютерная графика , геоинформационные системы

примеры программных средств: National Instruments LabView (визуализация управления экспериментальным или производственным оборудованием), Autodesk AutoCAD (система автоматизированного проектирования), MapInfo (геоинформационная система), Microcal Origin (визуализация неграфических данных)

рынок: обеспечение научных, военных, прикладных исследований и технологических процессов, бизнес-планирование.

c. Формирующая человека графика

связи: психология, технические науки

задачи: изучение и использование различных аспектов восприятия графической информации человеком

приоритетные направления: создание компьютерных игр, разработка систем виртуальной реальности

примеры программных средств: Unreal (образцовая action компьютерная игра), Paradigm simulation Vega (система виртуальной реальности), стандарт VRML и Parallel Graphics Internet Space Builder (псевдотрёхмерные виртуальные миры для Интернет)

рынок: компьютерные и электронные игры, обеспечение научных и военных исследований, развитие аппаратных средств компьютерной графики.

2. Цвет, аддитивный и субтрактивный синтез цвета, цветовые модели в компьютерной графике: RGB, CMY(K), YCbCr, HSV, HLS, L*a*b*. Цветовое пространство. Глубина цвета. Локус. Восприятие света и цвета глазом человека.

Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. В компьютерной графике обычно используются модели RGB, CMY(K), YCbCr, HSV, HLS и CIE L*a*b*.

Яркость - часть светового потока, который отражается от предмета и попадает на сетчатку глаза. Численно равна отношению силы света источника в рассматриваемом направлении к площади проекции светящейся или отражающей свет поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

Освещённость - мощность светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Измеряется в люксах (лк).

Светлота - субъективное ощущение, которое вызывают предметы, сильнее или слабее отражающие свет. Ощущения светлоты при просмотре изображения обычно имеют три ступени: света, полутона, тени.

Цветовой тон - преобладающая длина волны в спектре излучения.

Насыщенность (чистота тона) - доля присутствия белого цвета. В спектрально чистом цвете примесь белого отсутствует.

Ахроматические цвета - неокрашенные: белый, серый, черный. Они (в отличие от хроматических) характеризуются только одной величиной - светлотой. Насыщенность равна нулю, цветовой тон белый. Эти цвета оказывают одинаковое действие на все три приемника глаза. Степень "серости" может зависеть или не зависеть от источника света.

Цвет можно синтезировать двумя принципиально разными методами - аддитивным и субтрактивным . Аддитивный синтез цвета предполагает получение цвета смешением излучений. Аддитивный синтез применяется и при измерении цвета специальными приборами - колориметрами . В аддитивном синтезе под белым цветом мы понимаем смешение основных излучений в максимальном количестве, а чёрный цвет - полное отсутствие излучений. При субтрактивном синтезе компоненты излучения попадают в глаз не напрямую, а преобразуясь оптической средой - окрашенной поверхностью. Ее окраска выполняет функцию преобразователя энергии излучения источника света. Отражаясь от нее или проходя насквозь, одни лучи ослабляются сильнее, другие слабее. В результате баланс попавших на сетчатку глаза излучений изменяется, что вызывает ощущение цвета.

Трехмерное пространство для геометрического изображения цвета принято называть цветовым пространством. В цветовой системе координат каждый цвет выражается через основные цвета этой системы, причем они должны быть линейно независимы (то есть ни один из них не должен получаться сложением двух других).

Линия в плоскости, являющаяся геометрическим местом точек цветности монохроматических излучений и замкнутая линией пурпурных, называется локусом (от лат. locus - место) (рис. 4 показывает локус в координатах стандартной колориметрической системы XYZ ). Внутри локуса находятся все реальные цвета. Вне локуса лежат воображаемые цвета, более насыщенные, чем спектральные, выраженные в данной колориметрической системе (базовые цвета в системе XYZ нереальные). Площадь, ограниченная локусом и замыкающей его линией пурпурных цветов, называется полем реальных цветов.

Цветовые модели компьютерной графики

RGB - стандарт для синтеза цветов и название соответствующей цветовой палитры. Стандарт принят в 1931 году Commision International de l'Eclairage, в качестве трёх линейно независимых цветов выбраны монохроматические красный (red, =700 нм), зелёный (green, =546,1 нм - линия в спектре ртутной лампы) и синий (blue, =435,8 нм - g линия в спектре ртутной лампы). Палитра применяется для аддитивного смешивания цветов. Впервые систему, похожую на RGB, применил для смешивания цветов Томас Юнг (1773-1829). Для того, чтобы смешиванием компонент R, G и B получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должны быть равны друг другу, а находиться в пропорции

LR : LG : LB = 1 : 4.5907 : 0.0601 (1)

Цветовой куб стандарта RGB показан на рис. 5. Система RGB имеет неполный цветовой охват - многие цвета от зелёного до синего, включая все оттенки голубого, не могут быть представлены в этой модели. Стандарт RGB в настоящее время принят практических для всех излучающих устройств графического вывода (телевизоры, мониторы, плазменные панели и др.)

CMY - субтрактивная цветовая модель, где в качестве основных приняты голубой (cyan), пурпурный (magenta), и жёлтый (yellow). Комбинирование этих красителей, наносимых на белую поверхность, позволяет получить цвета в диапазоне, указанном на рис. 5. Модель в основном используется в полиграфических печатающих устройствах. На практике добиться чёрного цвета с помощью смешивания сложно, поэтому в принтерах используют ещё и чёрный краситель (black), такую модель называют CMYK.

Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам RGB. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Так, дополнительный для красного - голубой, для зеленого - пурпурный, для синего - желтый. Тем не менее по цветовому охвату эти модели различаются так что при переходе из одной модели в другую возможны потери цвета.

YCbCr - аппаратно-ориентированная модель, используемая в телевидении и служащая для сокращения передаваемой полосы частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения. В этой модели Y - интенсивность цвета, а Cb и Сr - синяя и красная цветоразностные компоненты. Как будет показано в дальнейшем, кодирование изображений в этой палитре существенно уменьшает количество информации, требуемой для воспроизведения изображения без существенной потери его качества. Для преобразования палитры RGB в YCbCr пользуются следующими соотношениями:

Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B

Cb = 0.1678 R - 0.3313 G + 0.5 B (2)

Cr = 0.5 R - 0.4187 G + 0.0813 B

HSV (Hue - цветовой тон, Saturation - насыщенность, Value - количество света) - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета. Подпространство, определяемое данной моделью - цветовой конус (рис. 7), который также часто рисуют как шестигранный конус.По вертикальной оси конуса задается V - светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V = 0 соответствует вершина конуса, значению V = 1 - основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны. Цветовой тон H задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, 0? - красный, 60? - желтый, 120? - зеленый, 180? - голубой, 240? - синий, 300? - пурпурный, т.е. дополнительные цвета расположены друг против друга (отличаются на 180?). Насыщенность S определяет насколько близок цвет к "чистому" пигменту и меняется от 0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса.

Точка V = 0, в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне 0-1. Точка с координатами V = 1, S = 0 - центр основания конуса соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при S=0, т.е. на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если S = 0, то значение оттенка H считается неопределенным.

HLS - (Hue - цветовой тон, Lightness - светлота, Saturation - насыщенность) - модель построенная аналогично HSV, но здесь максимально интенсивные цветовые тона соответствуют значению L=0.5 при S=1. При L=1 имеем белый цвет, а при L=0 - чёрный.

Большое практическое применение в настоящее время находит система CIE L*a*b*. Здесь L - канал яркости, a* и b* - хроматические. Она была рекомендована для расчета цветовых различий Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1976 году. Именно это цветовое пространство является "родным" для такого программного пакета, как Adobe Photoshop. Цветовой охват модели включает цвета RGB и CMYK. Поэтому перевод в модель Lab и из неё производится без потерь цвета.

RYB - данная субтрактивная модель с первичными цветами red-yellow-blue не применяется в компьютерной графике, однако в течение многих веков её использовали художники для смешивания красок. Это интуитивная модель и по цветовому охвату она уступает вышеперечисленным.

Особенности цветового зрения человека

Сетчатка человеческого глаза представляет собой разветвления по дну глаза нервных волокон, которые затем сплетаются в зрительный нерв. Традиционно различают два вида окончаний нервных волокон: палочки и колбочки. Колбочки отвечают за ощущение цвета человеком и работают при высокой общей освещённости. Существует три вида колбочек, каждый из который имеет максимум чувствительности в своём спектральном диапазоне . Палочки ответственны за восприятие интенсивности падающего света и могут работать при низкой освещённости . вот почему в сумерках мы видим мир практически бесцветным). В наиболее чувствительном к свету месте сетчатки против зрачка расположены почти одни колбочки, вследствие чего глаз обладает способностью различать мельчайшие детали только в центре поля зрения под углом в 1.3 градуса. Периферическая часть сетчатки образована палочками и служит для общей зрительной ориентировки в пространстве, при этом палочковый механизм работает гораздо быстрее, нежели колбочковый.

Поступающая от палочек и колбочек информация преобразуется в импульсные разряды и до передачи в мозг кодируется в сетчатке. Эта закодированная информация посылается в виде сигнала о яркости из всех трех типов колбочек, а также в виде разностных сигналов каждых двух цветов. Сюда подключается также и второй яркостный канал, берущий начало, от независимой палочковой системы.

Устройство аппарата цветового зрения человека таково, что глаз видит гораздо больше цветов, чем их есть в спектре, так как в определённых случаях смесь нескольких спектрально чистых цветов воспринимается мозгом как естественный цвет (например, розовый, который на самом деле является смесью красного и фиолетового). Экспериментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны 555 нм. Относительная спектральная световая эффективность (обозначаемая буквой v) этого излучения принята за единицу.

Любопытная иллюзия (явление Фехнера) хорошо демонстрирует тот факт, что цвет является внутренней способностью мозга отражать информацию о внешнем мире. Суть явления такова: если диск, одна половина которого зачернена, а на другой - белой - нанесен ряд черных дуг, привести во вращение со скоростью 5...10 об/с, то глаз будет воспринимать не серый фон, а довольно хорошо выраженные цветные кольца, цвет которых меняется в зависимости от радиуса дуг. Конструкции подобных дисков весьма разнообразны, но принципиально эффект остается одним и тем же - черно-белая картинка воспринимается цветной.

Количество цветов (глубина цвета) – одна из основных характеристик изображения или устройства графического вывода. Согласно психофизиологическим исследованиям глаз человека способен различать 350 000 цветов.

Однако в компьютерной графике в настоящее время используются изображения с формально гораздо большей глубиной цвета (16.7 млн цветов), тем не менее следует учитывать, что для синтезированных цветов на каждый из компонентов цвета в этом случае отводится только 256 градаций, которые достаточно хорошо различимы глазом человека.