Показ с удалением невидимых точек - раздел Компьютеры, Конспект лекций По дисциплине Компьютерная графика Здесь Мы Будем Рассматривать Поверхности В Виде Многогранников Или Полигональ...
Здесь мы будем рассматривать поверхности в виде многогранников или полигональных сеток. Известны такие методы показа с удалением невидимых точек: сортировка граней по глубине, метод плавающего горизонта, метод Z-буфера и т.п.
Сортировка граней по глубине.Это означает рисование полигонов граней в порядке от самых дальних к ближним. Этот метод не является универсальным, так как иногда нельзя четко различить, какая грань ближе (рис. 7.16). Известны модификации этого метода, которые позволяют корректно рисовать подобные грани. Метод сортировки по глубине эффективен для показа поверхностей, заданных функциями z=f(x,y).
Рис. 7.16. В каком порядке рисовать грани? Поверхность нарисована четырехуголными граниями.
В общем виде алгоритм сортировки по глубине выглядит следующим образом.
Грани после разбиения сортируются по минимальному расстоянию до экранной плоскости, и выводятся в порядке их приближения (z-буфер).
Если же объекты пересекаются, то алгоритм несколько усложняется и проверяется еще ряд тестов перед выводом на экран некоторой грани P. Надо убедиться, что никакая другая грань Q не закроет P.
1. Пересекаются ли проекции граней P и любой другой Q
-на ось Ox?
-на ось Oy?
2. Пересекаются ли проекции этих граней на экранной плоскости?
3. Находится ли грань P по другую сторону плоскости, проходящей через Q, чем начало координат (наблюдатель)?
4. Обратное (2), т.е. находится ли Q по ту же сторону от плоскости, проходящей через P, что и начало координат (наблюдатель)?
Рис. 7.17. Алгоритм сортировки по глубине.
Если хотя бы один из этих тестов отрицательный, то, значит, грани упорядочены верно, и P сравнивают со следующей гранью в списке, а в противном случае грани меняют местами в списке. Для чего проверяют тесты 3. 4.
Метод плавающего горизонта.Здесь, в отличие от предыдущего метода, грани выводятся в последовательности от ближних к самым дальним. На каждом шаге границы граней образуют две ломаные линии — верхний горизонт и нижний горизонт. В течение вывода каждой новой грани рисуется только то, что выше верхнего горизонта, и то, что ниже нижнего горизонта. Соответственно, каждая новая грань поднимает верхний и опускает нижний горизонты. Этот метод часто используют для показа поверхностей, которые описываются функциями z=f(x,y).
В общем виде метод выглядет следующим образом.
Пусть надо построить график функции двух переменных Z=f(x, y), в виде сетки координатных осей.
При параллельном проектировании проекций вертикальной линии является вертикальная линия.
Любая точка P(x, y, z) переходит в точку [(p,e1), (p, e2)] на плоскости экрана, где
e1= (cosφ, sinφ, 0)
e2= (sinφ, sinq, - cosφ sinq, cosq), а направление проектирования:
e3= (sinφ cosq, - cosφ - cosq, sinq), где φє[0, 2π], qє[-π/2, π/2], - углы подобраны так, чтобы плоскость у=у1 была ближе к экранной плоскости, чем у=у2, т.е. у1<у2.
Из этого следует, что линия Z=f(x, yj), не закрывает линию Z=f(x, yi).
Тогда возможен алгоритм, когда линии рисуются в порядке удаления (возрастания у) и при рисовании очередной линии рисуется только та ее часть, которая не закрывается ранее нарисованной.
Для определения частей линий Z=f(x, yк), которые не закрываются ранее нарисованными, вводятся линии горизонта.
Пусть проекцией линии Z=f(x, yк) на плоскость экрана является линия у=ук(х), где (х, у) – это координаты на экране. Тогда линии горизонта определяются как:
На экране рисуются только те части линии у=ук(х), которые выше укmax(х) или ниже укmin(х).
Проще всего этот метод реализовать с помощью модифицированного растрового алгоритма Брезенхейма, который перед выводом очередного пикселя сравнивает его ординату с верхней и нижней линией (массивы ординат).
Аналогичным методом можно воспользоваться при построении объемных предметов. Только в этом случае изображение выводится по мере удаления от экранной плоскости, а по мере – приближения, т.е. начиная с дальних граней, и, заканчивая ближними, которые будут закрывать собой невидимые части более дальних граней.
Для определения порядка вывода граней считают, что грань, лежащая в полосе 
не может закрыть грань из полосы 
Метод Z-буфера.Здесь используется специальный дополнительный массив (буфер), в который записывается координата Z для каждого пиксела растра изображения. Координата Z означает расстояние соответствующей точки объекта до плоскости проецирования — это может быть, например, видовая координата Z (ось Z располагается перпендикулярно плоскости проецирования).
Рассмотрим алгоритм рисования объектов в соответствии с этим методом. Пусть, чем ближе точка в пространстве к плоскости проецирования, тем больше значение Z. Тогда сначала Z-буфер заполняется минимальными значениями. Потом начинается вывод всех объемов. Причем, не имеет значения порядок вывода объектов. Для каждого объекта выводятся все го пикселы в любом порядке. Во время вывода каждого пиксела по его координатам (X,Y) находится текущее значение Z в Z-буфеРе. Если рисуемый пиксел имеет большее значение Z, чем значение в Z-буфере, то этот пиксел действительно рисуется, а его Z-координата записывается в Z-буфер. Таким образом, после рисования всех пикселов всех объектов растровое изображение будет состоять из пикселов, которые соответствуют точкам объектов с наибольшими значениями координат Z, то есть видимые точки являются ближайшими к нам.
Метод Z-буфера сейчас очень популярен благодаря простоте и эффективности. Современные ЗD-акселераторы аппаратно поддерживают этот метод как на уровне операции, так и памяти. Видеоадаптер имеет собственную память для Z-буфера, доступ к которой осуществляется быстрее, чем к оперативной памяти компьютера. В конвейере графического процессора и манипуляции со значениями Z-буфера легко совместить с другими пиксельными операциями для вывода полигонов. Существует разновидность этого метода - для ускорения вычислений используется не Z, а обратное значение (W-буфер).
Укажем некоторые проблемы использования метода Z-буфера.
1. Необходимость выделения дополнительной памяти. Для Z-буфера необходима память объем которой соответствует размерам растра изображения и точности чтения координаты Z. Используют обычно 32, 24 или 16 битов на один пиксел Z-буфера. Например для Z-буфера 1024x768x32 нужно 3 Мбайта. Сейчас такие затраты памяти не
считаются существенными. Если объем памяти _ критичен, то кадровый и Z-буфер разделяют на фрагменты (тайлы) и выполняют визуализацию для любого фрагмента отдельно. Файловая организация Z-буфера может использоваться также и для повышения скорости визуализации.
2. Полная инициализация Z-буфера (запись "самых дальних" значений) перед началом вывода того кадра уменьшает скорость анимации. Тем не менее, часто используется такой прием - инициализировать Z-буфер один раз для пары кадров. Это возможно, если разделить полный диапазон значений Z пополам. Например, если полный диапазон значений от 0 до 1, то в первом кадре работать со значениями Z, смещенными в интервал от 1 до 0.5 (дальняя половина), а в следующем кадре — от 0.5 до 0 (ближняя половина). Однако за повышение скорости здесь приходится платить точностью вычисления глубины -она уменьшается вдвое.
3. Большое количество лишних операций. Поскольку видимость устанавливается на уровне пикселов, то в цикле выполняются лишние операции для тех полигонов, которые полностью невидимы. Такие полигоны желательно отсекать до цикла вывода. Для ускорения вывода насыщенных сцен, содержащих миллионы полигонов, известны модификации метода, например, иерархический Z-буфер, в котором используется пирамида 2-х буферов разной разрешающей способности.
4. Проблемы с выводом полупрозрачных объектов.
5. Использовать в качестве расстояния координату 2 нельзя при углах обзора 180 градусов и больше. Для цилиндрических и сферических проекций лучше использовать радиальное расстояние от текущей точки объекта до точки схода лучей проецирования.
Несмотря на кажущуюся простоту, эта задача является достаточно сложной. Существует 2 основных подхода к решению задачи:
первый – заключается в определении точек объекта (пикселей), которые вдоль направления проектирования ближе всего расположены к картинной плоскости;
второй – заключается в непосредственном сравнении объектов друг с другом для выяснения видимых частей.
Существует много смешанных методов, которые объединяют оба эти подхода.
Отсечение нелицевых граней
Пусть для каждой грани объекта задан единичный вектор внешней нормали 
, а вектор 
- задает направление проектирования. Если нормаль грани с вектором составляет тупой угол, то эта грань заведомо не может быть видна.
При параллельном проектировании: это можно записать как скалярное произведение 
.
Рис. 7.18. Лицевые и
нелицевые грани
При центральном проектировании : с центром в точке Е, для любой точки Р вектор проектирования 
, а для определения, является ли грань лицевой или нет? Достаточно взять любую точку Р на ней и проверить условие . Знак этого скалярного произведения не зависит от выбора точки грани, а определяется тем, в каком полупространстве относительно плоскости, содержащей данную грань, лежит центр проектирования.
Если строится только один выпуклый многогранник, то задача может быть решена этим способом.
Если строится комбинация объектов, то используя этот подход можно хотя бы сократить вдвое количество рассматриваемых граней.
Алгоритм:
1 – сначала отбрасываются все ребра, обе грани которых не являются лицевыми, т.е. они заведомо невидны.
2 – проверяются все оставшиеся ребра со всеми гранями многоугольника на закрывание:
- 
грань не закрывает ребро и оно выводится.
- 
грань полностью закрывает ребро и оно удаляется из списка рассматриваемых.
- грань частично закрывает ребро, тогда ребро разбивается на части, из которых видимыми могут быть не более двух частей. Само ребро удаляется из списка, но в список проверенных ребер добавляются те его части, которые не закрываются гранью.
Алгоритм можно значительно сократить (имеем в виду количество проверок) если экранную плоскость разбить на клетки, и для каждой клетки составить список граней, проекции которых имеют непустое пересечение с этой клеткой.
Тогда для произвольного ребра сначала находятся все клетки, в которые попадает проекция этого ребра, и, следовательно, рассматриваются не все грани, а только те, которые содержатся в списке данных клеток.
При этом подходе требуется время для разбиения и составления списка, но алгоритм работает эффективней.
Алгоритм Аппеля.
Рис. 7.19. Контурная линия
Здесь вводится понятие количественной невидимости, как количество граней, закрывающих вершину (точку).
Если количественная невидимость равна нулю, то точка видима.
Количественная невидимость точек ребра при прохождении так называемой контурной линии может изменяться.
Берется какая-нибудь вершина и прослеживается изменение количественной невидимости вдоль каждого из ребер, выходящих из этой вершины. Эти ребра проверяются на прохождение позади контурной линии. Где количественная невидимость равна нулю, ребро сразу рисуется. Если не равно нулю, то проверяется количественная невидимость для всех ребер, выходящих из новой вершины, и. т. д.
Этот алгоритм более эффективен, чем алгоритм Робертса, так как количество ребер, входящих в контурную линию, намного меньше общего числа ребер.
Методы двоичного разбиения пространства. Пусть некоторая плоскость в объектном пространстве разбивает множество всех граней на два не пересекающихся множества (кластера) по одну и по другую сторону от этой плоскости.
При этом очевидно, что ни одна из этих граней, лежащих в пространстве, не содержащем наблюдателя, не может закрыть собой грань, находящуюся в другом полупространстве (где наблюдатель).
Сначала выводятся грани из дальнего кластера, затем из ближнего.
Разбиение продолжается до тех пор, пока в каждом кластере не останется по одной грани.
Обычно в качестве разбивающей плоскости рассматривают плоскость, проходящую через одну из граней. При этом реально множество граней разбивается не на 2 части, а на 4:
- грань лежит на плоскости;
- пересекает плоскость;
- в положительном пространстве;
- в отрицательной области;
Каждый узел дерева разбиения граней можно представить структурой.
Процесс построения дерева заключается в выборе грани, проведении через нее плоскости и разбиение всех граней. В процессе выбора граней следует придерживаться 2 критериев:
- получить более сбалансированное дерево;
- минимизировать количество разбиений.
Эти критерии взаимоисключающие - и надо выбрать компромисс.
Преимущество этого метода - полная независимость от положения центра проектирования, что необходимо при построении изображений одной сцены, но с разных точек наблюдения.
Метод построчного сканирования.Это еще один метод, который успешно используется для создания компьютерных игр (типа прохода по лабиринту, когда вся сцена представляет собой прямоугольный лабиринт с постоянной высотой пола и потолка и набором вертикальных стен).
Рассматривается сечение сцены горизонтальной (вертикальной) 
плоскостью, проходящей через центр проектирования.
Каждая линия - однозначно определяет одну вертикальную плоскость. Среди всех пересечений видимым будет только одно – ближайшее – плоскостью, проходящей через центр проектирования.
Каждая линия – однозначно определяет одну вертикальную плоскость. Среди всех пересечений видимым будет только одно – ближайшее.
Рис. 7.20. Построчное сканирование
Алгоритм Варнака (Вариока).Вся видимая часть картинной плоскости разбивается на 4 равные части и проверяется:
- эта часть полностью накрывается проекцией ближайшей грани;
- часть не покрывается проекцией ни одной грани.
Когда ни одно из условий не выполнено, часть разбивается еще на 4 части и т. д., пока размер части больше, чем размер пикселя.
Когда часть равна одному пикселю, явно находится ближайшая к ней грань и закрашивается.
Рис. 7.21. Части алгоритма Варнака
Отсечение отрезка. Алгоритм Сазерленда-Кохена.Рассмотрим теперь случай, когда необходимо отсечь линии, выходящие за границы окна вывода.
Простой и эффективный алгоритм отсечения отрезков по границе произвольного прямоугольника называется алгоритмом Сазерленда - Кохена. Он заключается в разбиении всей плоскости на 9 областей. Определив, в какие области попали концы отрезка, легко понять, где именно необходимо отсечение. Для точки Р ( х ,у ) соответствует 4 - битовый код , причем каждый бит соответствует определенному положению .
КОД: В3 В2 В1 В0
В3 = (х <x min) B1 = (y < y min)
B2 = (x > x max ) B0 = ( y > y max )
Идея алгоритма заключается в том, что отрезок анализируется на предмет пересечения поочередно со всеми сторонами окна. Если пересечение существует, то отбрасывается часть отрезка между концом Р1 (вн. окна) и найденной точкой пересечения Рn (Xn , Yn). Причем в алгоритме отсечения рассматриваются только те отрезки, видимость которых неочевидна.
F -переменная, определяющая вид отрезка, причем:
0, отрезок горизонтальный
-1, отрезок вертикальный
1, иначе
Все темы данного раздела:
Москва 2010 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Основные понятия. 6
1.1 Разновидности компьютерной графики. 7
Полиграфия. 8
Мультимедиа. 8
World Wide Web (WWW) 9
3D-график
Разновидности компьютерной графики
Распространение компьютерной графики началось с полиграфии. Но вскоре она вырвалась из тесных помещений типографий на простор широкого применения. Огромную популярность завоевали компьютерные игры
Полиграфия
Компьютерная графика начала своё распространение с полиграфии. Полиграфия –довольно сложное направление, требующее от работающего в этой области наибольшей широты знаний. Да
Мультимедиа
Мультимедиа – это область компьютерной графики, связанная с созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ и интерфейсов к ним.
В отличие от полиграфии, где ди
World Wide Web (WWW)
Важным событием в жизни общества стало появление глобальной сети Internet. Сейчас происходит бурное развитие этой сети. Возрастают мощности каналов передачи данных, совершенствуются способы обмена
D-графика и компьютерная анимация
Это ещё одно широкое и по-своему сложное направление, особый мир. 3D-графика – это создание искусственных предметов и персонажей, их анимация и совмещение с реальными предметами и интерьерами. В на
САПР и деловая графика
Системы автоматизированного проектирования были исторически первыми интерактивными системами (САПР - английская аббревиатура CAD - Computer Aided Design), которые появил
Геоинформационные системы (ГИС)
Сегодня становятся все более популярными. Это относительно новая для массовых пользователей разновидность систем интерактивной компьютерной графики. Они интегрируют методы и технологии разно
Принципы организации графических программ
Многие пользователи ПК связывают понятие компьютерной графики с программами, предназначенными для редактирования двухмерных цифровых изображений. Это программное обеспечение по принципу действия и
Растровые программы
Большинство программ для редактирования изображений-Addobe Photoshop, Corel PHOTO-PAINT или MS Paint являются растровыми программами. В них изображение формируется из решётки крошечных квадратиков,
Векторные программы
Изображение, созданное в векторных программах, основывается на математических формулах, а не на координатах пикселов. Составляющие основу таких изображений кривые и прямые линии называются векторам
Фрактальные программы
Фрактал - это объект довольно сложной формы, которая получена в результате выполнения простого итерационного цикла над формой начальной, элементарной.
Одним из основных свойств фракталов я
Преобразование координат
Сначала рассмотрим общие вопросы преобразования координат. Пусть задана п-мерная система координат в базисе (k1, k2,.... kn), которая описывает положе
Простейшие двумерные преобразования
Точки на xy-плоскости можно перенести в новые позиции путем добавления к координатам этих точек констант переноса. Для каждой точки Р(х, у), которая перемещается в новую точку
Однородные координаты и матричное представление двумерных преобразований
Преобразования переноса, масштабирования и поворота в матричной форме записываются в виде
К сожалению, перенос реализуетс
Композиция двумерных преобразований
Понятие композиции было введено в предыдущем разделе. В данном разделе мы покажем, каким образом можно использовать композицию преобразований для объединения фундаментальных матриц R, S и Τ
Матричное представление трехмерных преобразований
Аналогично тому, как двумерные преобразования описываются матрицами размером 3x3, трехмерные преобразования могут быть представлены в виде матриц размером 4x4. И тогда трехмерная точка (x, у, z)
Композиция трехмерных преобразований
Путем объединения элементарных трехмерных преобразований можно получить другие преобразования. В этом разделе показано, как это сделать. Задача состоит в том, чтобы преобразовать отрезки P1
Преобразование объектов
Преобразование объектов можно описать так. Пусть любая точка, принадлежащая определенному объекту, имеет координаты (k1, k2,..., kn ) в n-мерной систе
Преобразование как изменение систем координат
Мы рассматриваем преобразование множества точек, принадлежащих объекту, в некоторое другое множество точек, причем оба этих множества описаны в одной и той же системе координат. Таким образом, сист
Аффинные преобразования на плоскости
Это частный случай преобразований, который достаточно часто используется при создании графических пакетов.
Зададим некоторую двумерную систему координат (x,у). Аффинное преобразован
Трехмерное аффинное преобразование
Запишем в виде формулы:
где А, В,..., Ν— константы.
Дадим также запись в матричной форме:
Мировые и экранные координаты
При отображении пространственных объектов на экране или на листе бумаги с помощью принтера необходимо знать координаты объектов. Мы рассмотрим две системы координат. Первая — мировые координаты,
Основные типы проекций
Изображение объектов на плоскости (экране дисплея) связано с геометрической операцией проектированием. В компьютерной графике используется несколько видов проектирования, но основных - два вида:
Растровые изображения и их основные характеристики
Растр — это матрица ячеек (пикселов). Любой пиксел (pixel — Picture Element) имеет свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение. В зависимости от расположени
Вывод изображений на растровые устройства
Для иллюстрации работы реальных растровых устройств рассмотрим результаты отображения рисунка-образца на разнообразных графических устройствах. Поскольку в этой книге невозможно показать цветные из
Устранение ступенчатого эффекта
В растровых системах при невысокой разрешающей способности (меньше 300 dpi) существует проблема ступенчатого эффекта (aliasing) — при большом шаге сетки растра пикселы линий образуют как бы
Дизеринг
Хорошо, если растровое устройство отображения может прямо воссоздавать тысячи цветов для любого пиксела. Не так уже и давно это было проблемой даже для компьютерных дисплеев (а точнее — для видеоад
Алгоритмы вывода прямой линии
Рассмотрим растровые алгоритмы для отрезков прямой линии. Предположим, что заданы координаты ( x1, yl - х2, у2) концов отрезка прямой. Для вывода линии необходимо закрасить определенным цвет
Инкрементные алгоритмы
Брезенхэм предложил подход, позволяющий разрабатывать так называемые инкрементные алгоритмы растеризации. Основной целью при разработке таких алгоритмов было построение циклов вычисле
Кривая Безье
Разработана математиком Пьером Безье. Кривые и поверхности Безье были использованы в 60-х годах компанией "Рено" для компьютерного проектирования формы кузовов автомобилей. В насто
Алгоритмы вывода фигур
Фигурой здесь будем считать плоский геометрический объект, который состоит из линий контура и точек заполнения, которые помещаются внутри контура. Контуров может быть несколько — например, если объ
Алгоритмы закрашивания
Рассмотрим алгоритмы закрашивания произвольного контура, который уже нарисован в растре. Сначала определяются координаты произвольного пиксела, находящегося внутри очерченного контура фигуры. Цвет
Стиль заполнения
Кисть и текстура
При выводе фигур могут использоваться разные стили заполнения. Простейшее — сплошное заполнение — это когда все пикселы внутри контура фигуры имеют одинаковы
Инструменты выделения. Каналы и маски
Растровое изображение в отличие от векторного не содержит объектов, которые можно легко «расцепить для выполнения их индивидуального редактирования. Поэтому для создания, например, коллаж
Выделение
Под термином выделение (или выделенная область) будем понимать области изображений и объектов, доступные для перемещения, копирования, редактирования и выполнения любых других преобразований. И нао
Инструменты выделения и маскирования
Современные графические редакторы располагают разнообразными инструментами выделения. По принципу формирования выделенных областей их можно разделить на четыре группы.
Обычные (геометр
Гистограммы
Инструмент Гистограмма (Histogram) позволяет оценить разброс между минимальной и максимальной яркостью изображения (динамический диапазон). С его помощью можно получить также наглядное представлени
Уровни (Levels)
В основе работы данного инструмента лежит использование гистограмм. Однако в отличие от рассмотренной в предыдущем разделе команды Histogram (Гистограмма) здесь этот инструмент выполняет активную ф
Цветовая коррекция и цветовой баланс
В современных настольных издательских системах для получения качественных изображений (таких, как рекламные объявления и обложки журналов) используется технологическая цепочка, включающая сканирова
Фильтры (Plug-ins) и спецэффекты (Effects)
Большинство фильтров (filters или plug-ins) предназначено для создания специальных эффектов, например имитации мозаики или живописного стиля Ван-Гога. С помощью трехмерных спецэффектов двухмерные г
Преимущества и недостатки растровой графики
Достоинства
Одним из достоинств растровой графики является простота и, как следствие, техническая реализуемость (автоматизация) ввода (оцифровки) изобразительной информации. Сущест
Средства создания векторных изображений
Векторные изображения могут быть созданы несколькими видами программ.
· Программами векторной графики.
· Программами САПР, типичным представителем которых является п
Сравнение механизмов формирования изображений в растровой и векторной графике
Проиллюстрируем разницу в механизмах работы растровых и векторных редакторов на примере описания одного и того же отрезка прямой:
· в векторном формате — задаются координа
Структура векторной иллюстрации
Структуру любой векторной иллюстрации можно представить в виде иерархического дерева. В такой схеме сама иллюстрация занимает верхний уровень, а ее составные части занимают более низкие уровни ие
Математические основы векторной графики
Если основным элементом растровой графики является пиксел (точка), то в случае векторной графики в роли базового элемента выступает линия. Это связано с тем, что в векторной графике любой объект с
Достоинства и недостатки векторной графики
Для эффективного применения векторной графики в творческой работе необходимо представлять себе ее достоинства и недостатки.
Достоинства
Одним из главных достоинств это
Математика фракталов. Алгоритмы фрактального сжатия изображений
У фрактальной математики возникают все новые и новые сферы применения. Коснемся лишь одного перспективного направления — создания алгоритма фрактального сжатия графической информации. В 1991 году т
Обзор основных фрактальных программ
В 1997 году на рынке компьютерной графики произошло знаменательное событие. Среди известных производителей профессионального ПО для графики (Adobe, Macromedia, Autodeck, Corel, Microsoft) объявился
Элементы цвета
Представьте себе, что перед вами лежит лист белой бумаги с нарисованным на нем зеленым квадратом. Вы не задавали себе вопроса, «Почему этот цвет зеленый?» Ответ на него кроется в физических и биоло
Свет и цвет
Как уже было отмечено в рассмотренном выше примере, наличие света является непременным условием визуального восприятия всего цветового богатства окружающего нас мира. В то же время из курса элемен
Физическая природа света и цвета
Напомним, что свет представляет собой электромагнитное излучение, связанное с флуктуацией электрического и магнитного полей. Иными словами, свет представляет собой энергию, а цвет есть продукт вза
Излученный и отраженный свет
Все, что мы видим в окружающем нас пространстве, либо излучает свет, либо его отражает.
Излученный цвет — это свет, испускаемый активным источником. Примерами таких источников могут служит
Яркостная и цветовая информация
Как уже отмечалось, излучаемый источником цвет, как правило, представляет собой смесь световых волн различной длины (рис. 6.5). Единственным исключением являются так называемые монохроматические
Цвет и окраска
Для правильной интерпретации восприятия цвета необходимо различать понятия цвета и окраски предмета.
Окраска — это способность предмета отражать излучение в том или ином диапазоне длин во
Стандартные источники
Для имитации различного освещения измерительные устройства используют стандартизованные источники излучения - D50, D65, D93, А, В, С, а также F2 или F8 (флюоресцентные лампы). Эти
Особенности восприятия цвета человеком
Световые волны, излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку (рис. 6.8). Там они возбуждают определенные нервные клетки, физиологич
Колбочки и палочки
За цветовое и яркостное восприятие человеческого глаза отвечают два различных типа нервных клеток (рецепторов), называемых соответственно колбочками и палочками.
Процесс функционирования
Спектральная чувствительность глаза к яркости
Как можно увидеть из рис. 6.9, области чувствительности различных типов колбочек значительно перекрываются. Поэтому, как правило, в процессе восприятия глазом падающего на него света возбуждаются в
Спектральная чувствительность наблюдателя
Спектральная чувствительность определяет диапазон принимаемых наблюдателем или приемником цветов. На рис. 6.12 представлена спектральная чувствительность глаза. Левее синей области частот — ультра
Цветовой и динамический диапазоны
Для эффективной организации передачи информации между различными устройствами, входящими в состав издательских систем, важно понимать разницу между цветовым и динамическим диапазонами.
Цв
Типы цветовых моделей
Большинство графических пакетов позволяют оперировать широким кругом цветовых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая - для особых типов красок. Перечислим их:
•
Аддитивные цветовые модели
Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получен
RGB - модель
Вкратце история модели RGB такова. Томас Юнг (1773-1829) взял три фонаря и приспособил к ним красный, зеленый и синий светофильтры. Так были получены источники света соответствующих цветов. Направ
Ограничения RGB-модели
Несмотря на то что цветовая модель RGB достаточно проста и наглядна, при ее практическом применении возникают две серьезные проблемы:
• ограничение цветового охвата
Первая проблем
Субтрактивные цветовые модели
В отличие от экрана монитора, воспроизведение цветов которого основано на излучении света, печатная страница может только отражать цвет. Поэтому RGB-модель в данном случае неприемлема. Вместо нее
Цветовая модель CMY
Используется для описания цвета при получении изображений на устройствах, которые реализуют принцип ппоглощения цветов. В первую очередь, она используется в устройствах, которые печатают на бумаге.
CMY и CMYK
Существуют две наиболее распространенные версии субтрактивной модели: CMY и CMYK. Первая из них используется в том случае, если изображение или рисунок будут выводиться на черно-белом принтере, поз
Ограничения модели CMYK
CMYK-модель имеет те же два типа ограничений, что и RGB-модель: аппаратная зависимость; ограниченный цветовой диапазон.
В CMYK-модели также нельзя точно предсказать результирующий цвет тол
Возможности расширения цветового охвата CMYK
И профессионалы в области полиграфии, занимающиеся подготовкой и изданием красочных буклетов по живописи, и специалисты в области рекламы, чьи доходы напрямую связаны с воздействием цветных публик
Перцепционные цветовые модели
Для дизайнеров, художников и фотографов основным инструментом индикации и воспроизведения цвета служит глаз. Этот естественный «инструмент» обладает цветовым охватом, намного превышающим возможност
Достоинства и ограничения HSB-модели
Модель HSB в отличие от моделей RGB и CMYK носит абстрактный характер. Отчасти это связано с тем, что цветовой тон и насыщенность цвета нельзя измерить непосредственно. Любая форма ввода цветовой
Назначение эталона
Эталонные таблицы предоставляют собой набор цветов (образцов), которые могут быть адекватным образом отображены в процессе печати на соответствующей им бумаге.
Изготовление эталона тщател
Кодирование цвета. Палитра
Для того чтобы компьютер имел возможность работать с цветными изображениями, необходимо представлять цвета в виде чисел — кодировать цвет. Способ кодирования зависит от цветовой модели и формата ч
Аналитическая модель
Аналитической моделью будем называть описание поверхности математическими формулами. В КГ можно использовать много разновидностей такого описания. Например, в виде функции двух аргументов z = f(
Векторная полигональная модель
Для описания пространственных объектов здесь используются такие элементы: вершины, отрезки прямых (векторы), полилинии, полигоны, полигональные поверхности (рис. 7.2).
Элемен
Воксельная модель
Воксельная модель – это трехмерный растр. Воксел это элемент объема. По аналогии с 2D растрами, состоящими из пиксе
Равномерная сетка
Эта модель описывает координаты отдельных точек поверхности следующим способом (рис. 7.11). Каждому узлу сетки с индексами (i,j) приписывается значение высоты zi,j. Индекс
Неравномерная сетка. Изолинии
Неравномерной сеткой назовем модель описания поверхности в виде множества отдельных точек {(х0, у0, z0), (х1, у1, z1), ...,
Визуализация трехмерных объектов
Любой трехмерный объект может быть изображен по-разному и различными способами. В одном случае нужно показать форму объекта, во втором – внутреннюю структуру объекта, в третьем имит
Модели отражения света
Рассмотрим, как можно определить цвет пикселов изображения поверхности в соответствии с интенсивностью отраженного света при учете взаимного расположения поверхности, источника света и наблюдател
Вычисление нормалей и углов отражения
Вычисление координат вектора нормали. Рассматривая модели отражения света, вы, наверное, обратили внимание на то, что нормаль к поверхности — важный элемент. Определение вектора н
Метод Гуро
Этот метод предназначен для создания иллюзии гладкой криволинейной поверхности, которая описана в виде многогранников или полигональной сетки с плоскими гранями. Если каждая плоская грань имеет од
Метод Фонга
Аналогичен методу Гуро, но при использовании метода Фонга для определения цвета в каждой точке интерполируются не интенсивности отраженного света, а векторы нормалей.
• Определяются нормал
Имитация микрорельефа
Пусть нам необходимо показать поверхность, изобилующую мелкими неровностями. Можно попытаться создать полигональную модель, аппроксимирующую все видимые детали рельефа, вплоть до мельчайших бугорко
Преломление света
Законы преломления света следует учитывать при построении изображений прозрачных объектов.
Модель идеального преломления. Согласно этой модели луч отклоняется на границе д
Трассировка лучей
Методы трассировки лучей (Ray Tracing) на сегодняшний день считаются наиболее мощными и универсальными методами создания реалистичных изображений. Известно много примеров реализации алгорит
Положительные черты
1. Универсальность метода, его применимость для синтеза изображения довольно сложных пространственных схем. Воплощает много законов геометрической оптики. Просто реализуются разнообразные проекции.
Анимация
В предыдущих параграфах мы рассмотрели методы и алгоритмы создания трехмерных моделей. В этом параграфе мы затронем вопросы, связанные с анимацией этих моделей.
Можно дать
Графические системы на базе сопроцессора i82786
Рис. 9.2. Графическая система на базе i82786
Имеют следующие характеристики:
· неавтономная работа под
Графические системы на универсальном процессоре
Одни из самых специфичных графических систем. Расширение числа аппаратно реализованных функций мало приемлемо по следующим причинам:
1. Набор графических функций был бы жестко зафиксирован
Высокоскоростные графические системы
Кроме высокоскоростной генерации и манипулирования растровыми образами для формирования высокореалистичных картин в реальном времени, в подобных системах требуются сбалансированные по времени модел
NGP (Network graphics рrotocol)
Первые результаты по стандартизации были получены применительно к сети ARPA в рамках работ по разработке протоколов для аппаратно и машинно-независимого представления графических данных в сети.
Международная деятельность по стандартизации в машинной графике
Работы по протоколам послужили отправной точкой по развитию стандартизации в машинной графике. В 1974 г. в США был создан комитет по стандартизации машинной графики GSPC в АСМ/SIGGRAPH. В 1975 г. в
Деятельность ISO, IEC по стандартизации в машинной графике
Главными организациями формирующими международные стандарты в области информационной технологии являются ISO (International Organization for Standartization) и IEC (International Electrotechnical C
Core-System
Существенным этапом в области стандартизации машинной графики явилась публикация проекта стандарта CORE-SYSTEM (GSPC-77) , модель которой приведена на рис. 10.5. Главные идеи, положенные в основу с
GKS (Graphical Kernel System)
Результатом работ в ФРГ было создание системы GKS. Модель графической системы, положенная в ее основу, приведена на рис. 10.6. В 1979 г. GKS была принята в качестве отправной точки международного с
GKS-3D (Graphical Kernel System for Three Dimensions)
Отличия GKS-3D от GKS заключаются в добавлении 3D функций:
примитивов 3D вывода;
установки атрибутов вывода (2 функции);
поддержки 3D преобразо
CGI (Computer Graphics Interface)
Это стандарт ISO на интерфейс между аппаратно-независимой частью графического программного обеспечения (базисной графической системой) и аппаратно-зависимой (драйверами). Этот интерфейс ранее (в ра
Протокол TEKTRONIX
Разработан одноименной фирмой, выпускающей графические дисплеи. Ввиду широкой распространенности устройств этой фирмы другие разработчики графической аппаратуры часто обеспечивают режим совместимос
Язык PostScript
Особое место среди графических языков высокого уровня занимает интерпретируемый язык описания страниц PostScript , разработанный фирмой Adobe и используемый не только для описания и построения изоб
Аппаратно-независимые графические протоколы
Аппаратно-независимый графический протокол или метафайл представляют собой процедурное описание изображения в функциях виртуального графического устройства. Он обеспечивает возможность запоминать г
Проблемно-ориентированные протоколы
Прикладные графические протоколы это объектно - ориентированные протоколы передачи данных между прикладными системами. Они наиболее компактны (вследствие высокой семантической насыщенности), допуск
Векторные форматы
Файлы векторного формата содержат описания рисунков в виде набора команд для построения простейших графических объектов (линий, окружностей, прямоугольников, дуг и т. д.). Кроме того, в этих файлах
Растровые форматы
В файлах растровых форматов запоминаются:
• размер изображения — количество видеопикселей в рисунке по горизонтали и вертикали
• битовая глубина — число битов, используемых для хр
Методы сжатия графических данных
Присжатии методом RLE(Run — Length Encoding) последовательность повторяющихся величин (в нашем случае — набор бит для представлен
Преобразование файлов из одного формата в другой
Необходимость преобразования графических файлов из одного формата в другой может возникнуть по разным причинам:
• программа, с которой работает пользователь, не воспринимает формат его фай
Видеоадаптеры
Важной чертой архитектуры персонального компьютера с позиций графики является то, что контроллер видеосистемы (видеоадаптер) расположен рядом с процессором и оперативной памятью и подключен к сист
Манипуляторы
Первые персональные компьютеры располагали для ввода информации и управления работой компьютера единственным устройством — клавиатурой. Для реализации более простого управления нужно было создать
Дигитайзер
Дигитайзер или планшет, как его тоже называют, состоит из двух основных элементов: основания и курсора, двигающегося по его поверхности. Это устройство, изначально предназначенное для оцифровки изо
Оборудование мультимедиа
Что такое мультимедиа? Мультимедиа — это комплексное представление информации — вывод данных в текстовом, графическом, видео-, аудио- и мультипликационном видах.
Мультимедийный набор- э
Мониторы
Монитор компьютера (рис. 12.11) предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Это практически единственный элемент компьютера, который нельзя в дальнейшем модернизир
Характеристики мониторов
В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов. Их можно охарактеризовать следующими основными параметрами.
Тип экрана:
электронно-лучевая трубка или ЭЛТ (CRT)
Газоплазменные мониторы
Газоплазменные мониторы состоят из двух пластин, между которыми находится газовая смесь, светящаяся под воздействием электрических импульсов. Такие мониторы не имеют недостатков, присущих Ж
Видеокарта
Видеокарта (графическая карта, видеоадаптер) реализует вывод информации на монитор. От ее качества зависят:
скорость обработки информации;
четкость изображения и размеры;
Функции графического ускорителя
Графический ускоритель нужен для ускорения прорисовки экрана. Это связано с тем, что при работе с изображениями (особенно в векторной графике) перерисовка занимает значительную часть ресурсов компь
Выбор видеокарты под монитор
Для нового поколения игр необходимы видеокарты, чипы которых поддерживают стандарты ЗD-ускорения, На данный момент с этой задачей лучше других, на наш взгляд, справляются видеокарты на чипах RivaTN
Периферия
Периферийные устройства служат для расширения функциональных возможностей персонального компьютера, удобства управления им и представления информации в различных формах в процессе ее обраб
Принтеры
Кроме мониторов к устройствам вывода графических данных относятся и принтеры. Принтер (printer), или печатающее устройство, предназначен для вывода информации на бумагу. Все современные при
Плоттеры
Плоттер (plotter), или графопостроитель, — это устройство для вывода различных чертежей, географических карт, плакатов и других изображений на бумагу большого формата. Плоттеры бываю
Звуковые карты
Звуковая карта вставляется в свободный слот расширения компьютера и позволяет осуществлять запись, воспроизведение и синтез звука. Встроенный синтезатор помогает воспроизводить сложные зву
Сканеры
Сканер (scaner) — устройство для копирования графической и текстовой информации и ввода ее в компьютер. Персональные сканеры бывают трех типов — ручные, планшетные и барабанные.
Цифровые фотоаппараты и фотокамеры
Цифровая фотокамера — это еще один тип устройства оцифровывания графики и ввода изображений в ПК. В отличие от обычного фотоаппарата в его цифровом аналоге изображение проецируется не на фот
Новости и инфо для студентов