Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - файл 1.doc


Лекции
скачать (1493 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1493kb.16.11.2011 19:11скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Лекция №1:

Введение в компьютерную графику.

Компью́терная гра́фика (также маши́нная гра́фика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности.

Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

До пятидесятых годов компьютеры выводили информацию только на печатающие устройства. Интересно отметить, что достаточно часто компьютеры тех лет оснащались осциллографами, которые, однако, использовались не для вывода информации, а всего лишь для проверки электронных цепей вычислительной машины. Впервые в 1950 году в Кембриджском университете (Англия) электронно-лучевая трубка осциллографа была использована для вывода графической информации на компьютере EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer).

Примерно полтора года спустя английский ученый Кристофер Стретчи написал для компьютера "Марк 1" программу, игравшую в шашки и выводившую информацию на экран. Однако это были лишь отдельные примеры, не носившие серьезного системного характера.

Реальный прорыв в представлении графической информации на экране дисплея произошел в Америке в рамках военного проекта на базе компьютера "Вихрь". Данный компьютер использовался для фиксации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США.

Первая демонстрация "Вихря" состоялась 20 апреля 1951 года - радиолокатор посылал информацию о положении самолета компьютеру, и тот передавал на экран положение самолета-цели, которая отображалась в виде движущейся точки и буквы T (Target). Это был первый крупный проект, в котором электронно-лучевая трубка использовалась для отображения графической информации.

Первые мониторы были векторными (рис 2) - в мониторах этого типа электронный пучок создает линии на экране, перемещаясь непосредственно от одного набора координат к другому.

Соответственно нет необходимости разбивать в подобных мониторах экран на пикселы. Позднее появились мониторы с растровым сканированием. В мониторах подобного типа электронный пучок сканирует экран слева направо и сверху вниз, пробегая каждый раз всю поверхность экрана. Следующей ступенькой развития мониторов явилось цветное изображение, для получениякоторого требуется уже не один, а три пучка, каждый из которых высвечивает определенные точки на поверхности дисплея. Подробнее об этом типе мониторов мы поговорим при рассмотрении принципа работы современных цветных CRT-мониторов. Со временем помимо CRT-мониторов появились и другие технологии, которые позволили создавать более компактные и легкие экранные панели.

Мониторы нашего времени

Сегодня, несмотря на обилие новых технологий, CRT(ЭЛТ)-мониторы все еще остаются самыми распространенными и вовсе не торопятся уходить с рынка, напротив - они по-прежнему являются наиболее доступными по цене, размер их экранов постоянно растет, неуклонно совершенствуется качество изображения - при уменьшении габаритов и веса. Поэтому обзор мониторов следует начать именно с CRT-дисплеев. Реальную конкуренцию мониторам на базе электронно-лучевых трубок пока могут составить только LCD-дисплеи.

Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся:

  • Графический интерфейс пользователя;

  • Спецэффекты, цифровая кинематография;

  • Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;

  • Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;

  • Визуализация научных и деловых данных;

  • Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);

  • Системы автоматизированного проектирования;

  • Компьютерная томография.

  • Компьютерная графика для кино и телевидения

  • Лазерная графика.


Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции:

  • конференция Siggraph, проводится в США

  • конференция Графикон, проводится в России

  • CG-событие, проводится в России


По способам задания изображений графику можно разделить на категории:

1. Двумерная графика

Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

^ 1.1. Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор 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. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция).

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

^ 1.2. Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселов. Каждому пикселу 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.

^ 1.3. 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, к изображениям вне этих классов, фракталы применимы слабо.

^ 2. Трехмерная 3D графика

Трехмерная графика (3d графика) нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов. В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования - создание подвижного изображения реального физического тела.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

*спроектировать и создать виртуальный каркас ("скелет") объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

*спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;

*присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне - "спроектировать текстуры на объект");

*настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

*задать траектории движения объектов;

*рассчитать результирующую последовательность кадров;

*наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и "гладкость" поверхности в целом.

После формирования "скелета" объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства.

Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.

Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:

* свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted);

* свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);

* зеркально отраженный свет (Reflected);

* блики, то есть отраженный свет источников (Specular);

* собственное свечение поверхности (Self Illumination).

Следующим этапом является наложение ("проектирование") текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект - задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.

После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его "оживлению", то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.

Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом. Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированных поверхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то есть создается каркасная модель. Каркасная модель визуализуется наложением поверхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объекта получается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.

Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксации реальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольных точках яркие источники света и снимают заданное движение на видео- или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер и присваивают соответствующим опорным точкам каркасной модели. В результате движения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.

Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман (Существуют методы расчета процедурных эффектов (Procedural Effects) и взаимодействия систем частиц (Particle System). Однако их применение в полном объеме требует громадных вычислительных ресурсов, и потому в персональных компьютерах обычно используют упрощенные варианты.). По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.

Особую область трёхмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств - автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.

^ Реальная сторона графики

Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе — это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

^ История развития мониторов

CRT(ЭЛТ)-мониторы

Монитор получает сигнал от компьютера и передает его на электронно-лучевую пушку, которая формирует луч, передающий совокупность сигналов: красный, зеленый, синий (RGB) на переднюю панель трубки.

Луч направляется отклоняющей системой проходит через отверстия в теневой маске, теневая маска направляет луч на флуоресцирующий материал; соударение луча с фосфоресцирующим экраном и вызывает свечение, видимое глазу (Рис 4).

^ Некоторые параметры мониторов CRT

* Диагональ трубки и видимая диагональ

* Коэффициент светопередачи

Коэффициент светопередачи определяется как отношение полезной световой энергии, излучаемой вовне, к энергии, излучаемой внутренним фосфоресцирующим слоем.

* Горизонтальная развертка

Периодом горизонтальной развертки называют время, за которое луч проходит расстояние от левого до правого края экрана. Соответственно величина, обратная данной, называется частотой горизонтальной развертки и измеряется в килогерцах.

* Вертикальная развертка

Вертикальной разверткой называется количество обновлений изображения на экране в секунду, этот параметр также называют частотой кадров. Чем выше величина вертикальной развертки, тем меньше соответственно заметен для глаза эффект смены кадра, который проявляется в мерцании экрана. Считается, что при частоте 75 Гц мерцание практически незаметно для глаза, однако стандарт VESA рекомендует работу на частоте 85 Гц.

* Разрешающая способность

Разрешающая способность характеризуется числом пикселов и числом строк. Например, разрешение монитора 1024 x 768 указывает на количество точек в строке - 1024 и на количество строк - 768.

* Равномерность

Равномерность определяется постоянством яркости по всей поверхности экрана монитора. Различают "равномерность яркости" и "равномерность белого". Обычно мониторы имеют различную яркость в разных участках экрана. Отношения яркости в областях с максимальным и минимальным значением яркости называют равномерностью распределения яркости. Равномерность белого определяется как различие яркости белого цвета (при выводе изображения белого цвета).

^ LCD - мониторы

Первые жидкокристаллические материалы были открыты более 100 лет назад австрийским ученым Ф. Ренитцером. Со временем было обнаружено большое число материалов, которые можно использовать в качестве жидкокристаллических модуляторов, однако практическое использование технологии началось сравнительно недавно.

Технология LCD-дисплеев основана на уникальных свойствах жидких кристаллов, которые одновременно обладают определенными свойствами как жидкости (например, текучестью), так и твердых кристаллов (в частности, анизотропией). В LCD-панелях используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму продолговатых пластин, объединенных в скрученные спирали. LCD-элемент, помимо кристаллов, включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. При приложении напряжения к электродам спирали распрямляются. Используя на входе и выходе поляризаторы, можно использовать такой эффект раскручивания спирали, как электрически управляемый вентиль, который то пропускает, то не пропускает свет.

Экран LCD-дисплея состоит из матрицы LCD-элементов. Для того чтобы получить изображение, нужно адресовать отдельные LCD-элементы. Различают два основных метода адресации и соответственно два вида матриц: пассивную и активную. В пассивной матрице точка изображения активируется подачей напряжения на проводники-электроды строки и столбца. При этом электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока, что препятствует достижению высокого контраста. В активной матрице каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель, что обеспечивает высокий уровень контрастности. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT).

TFT-экраны, иначе называемые экранами с активной матрицей, обладают самым высоким среди плоскопанельных устройств разрешением, широко используются в ноутбуках, автомобильных навигационных устройствах и разнообразных цифровых приставках. Структура монитора TFT LCD показана на рисунке ниже.

LCD-дисплей не излучает, а работает как оптический затвор. Поэтому для воспроизведения изображения ему требуется источник света, который располагается позади LCD-панели. Время жизни внутреннего источника света TFT LCD-монитора зависит от его типа. Как правило, источники света для 15-дюймовых мониторов теряют около 50% первоначальной яркости за 20 000 часов.

Основные параметры, определяющие качество LCD-мониторов

* Относительное отверстие

Относительное отверстие - отношение площади изображения к общей площади матрицы LCD-дисплея. Чем это отношение больше, тем большая площадь занята цветовыми элементами и соответственно тем ярче дисплей.

* Угол обзора

Пропускная способность жидкого кристалла зависит от угла наклона падающего света. Поэтому если смотреть на LCD-дисплей не строго перпендикулярно, а сбоку, то происходит затемнение изображения или искажение цвета. Некоторые фирмы предлагают различные технологии для устранения этого эффекта. В Apple Studio Display, например, используют особое пленочное покрытие, которое увеличивает качество изображения при "боковом" чтении. Существуют и другие технологии, однако в целом ряде случаев приемы, увеличивающие угол обзора, снижают динамические параметры отображения информации. Небольшой угол обзора - это серьезная проблема, и стоит она тем острее, чем больше размер экрана. По свидетельству основных производителей, сегодняшняя технология позволяет увеличить этот угол до 120-130 градусов в горизонтальной и 80° - в вертикальной плоскости.

* Степень интерференции

Интерференция проявляется за счет влияния активизированных пикселов на соседние пассивные. Это явление в меньшей степени проявляется в мониторах с активной матрицей и в большей - в мониторах с пассивной матрицей.

* Яркость

Яркость дисплея определяется яркостью заднего освещения и пропускной способностью панели. Пропускная способность жидкого кристалла мала, поэтому для увеличения яркости изображения применяют апертурную решетку с большим относительным отверстием и цветовые фильтры с высокой пропускной способностью.

^ Превосходства мониторов LCD над CRT

* LCD-дисплеи занимают на столе примерно в 3 раза меньше места и весят на 3/4 меньше, чем CRT-модели. Экономия веса и пространства критична для целого ряда приложений.

* В отличие от CRT-мониторов LCD-дисплеи абсолютно не генерируют магнитные поля.

* LCD -дисплеи не подвержены влиянию магнитных полей и, следовательно, могут использоваться на объектах, где такие поля генерируются. Это делает их использование предпочтительным на ряде объектов (например, на подводных лодках).

* LCD-мониторы обладают меньшей хрупкостью и соответственно лучше подходят для работы в полевых условиях.

* LCD-мониторы потребляют примерно на 60% меньше электроэнергии по сравнению с CRT-мониторами и выделяют соответственно меньше теплоты.

* Высокая четкость изображения позволяет работать с более высоким разрешением, чем при использовании сравнимых по диагонали CRT-моделей.

* LCD-дисплеи имеют меньшую склонность к такому дефекту изображения, как появление муара.

^ Превосходства мониторов CRT над LCD

*LCD-дисплеи оптимизированы для работы только с одним разрешением. Например, для 15-дюймового монитора оптимальное разрешение - 1024 x 768 точек. Если в вашей работе требуется перенастройка монитора на различные разрешения, что актуально в CAD-приложениях, то такой дисплей не может считаться оптимальным решением.

*LCD-дисплеи плохо переносят экстремальные температуры. При температуре ниже -32° они кристаллизуются и разрушаются, а при высоких температурах изображение расплывается.

* LCD-панели имеют ограниченный угол обзора.

* LCD-мониторы менее пригодны для передачи непрерывного видеоизображения.

* LCD-мониторы пока имеют более высокие цены.

* LCD-мониторы имеют большую склонность к дрожанию, чем CRT-дисплеи.

Изготовление LCD-мониторов с диагональю более 21 дюйма экономически невыгодно; их будут производить по другим технологиям.


Лекция №2:

Цвет в компьютерной графике. Устройства вывода графической информации. Форматы графических файлов.

1. Цвет в компьютере: какой он бывает?

Некоторые предметы видимы потому, что излучают свет, а другие - потому, что его отражают. Когда предметы излучают свет, они приобретают в нашем восприятии тот цвет, который видит глаз человека. Когда предметы отражают свет, то их цвет определяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают. Излучаемый свет выходит из активного источника, например, экрана монитора. Отраженный свет отражается на поверхности объекта, например, листа бумаги. Существует два метода описания цвета: система аддитивных и субтрактивных цветов.

Свет излучаемый и отражаемый

Одна из наиболее важных мыслей, которую необходимо помнить, говоря о цвете, заключается в том, что некоторые предметы мы видим потому, что они излучают свет, а другие — потому, что они его отражают. Когда предметы излучают свет они приобретают тот цвет, который мы видим. Когда они отражают свет (бумага, например), их цвет определяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают.

Таким образом, излучаемый свет — это свет, выходящий из активного источника: солнца, лампочки, экрана монитора; отраженный свет — это свет, "отскочивший" от поверхности объекта. Именно его вы видите, когда смотрите на какой-либо предмет, не излучающий собственного света.

Излучаемый свет может содержать все цвета (белый свет), любую их комбинацию или только один цвет. Излучаемый свет, идущий непосредственно из источника к вашему глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он был создан. Некоторые волны излученного света поглощаются объектом, поэтому доходят до нас и воспринимаются глазом только непоглощенные, отраженные волны.

Белый листок бумаги выглядит белым потому, что он отражает все цвета в белом свете и ни один не поглощает. Если вы осветите его синим светом, бумага будет выглядеть синей. Если вы осветите белым светом листок красной бумаги, бумага будет выглядеть красной, так как она поглощает все цвета, кроме красного. Что произойдет, если осветить красную бумагу синим светом? Бумага будет выглядеть черной, потому что синий цвет, падающий на нее, она не отражает.

Отражение и излучение света оставалось не более чем любопытной темой до появления компьютерной обработки цветных изображений. Сегодня диаметрально противоположные способы генерации цвета мониторов и принтеров являются основной причиной искажения экранных цветов при печати. Для того чтобы правильно производить цветоделение нужно хорошо представлять работу двух противоположных систем описания цвета в компьютере: аддитивной и субтрактивной.




Аддитивная (a) и субтрактивная (b) цветовые системы


^ Аддитивные и субтрактивные цвета

Аддитивный цвет (от англ. add — добавлять, складывать) получается при соединении лучей света разных цветов. В этой системе отсутствие всех цветов представляет собой черный цвет, а присутствие всех цветов — белый. Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например, от монитора компьютера.

В этой системе используются три основных цвета: красный, зеленый и синий (RGB). Если их смешать друг с другом в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях — любой другой.

В системе субтрактивных цветов (от англ. subtract — вычитать) происходит обратный процесс: вы получаете какой-либо цвет, вычитая другие цвета из общего луча отраженного света. В этой системе белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например, от листа бумаги. Белая бумага отражает все цвета, окрашенная — некоторые поглощает, а остальные отражает.

В системе субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный и желтый цвета (CMY) — противоположные красному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на белой бумаге в равной пропорции, получается черный цвет. Вернее, предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью и поэтому комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую неточность, для представления тонов истинно черного принтеры добавляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аббревиатурой CMYK.

^ Цветовая модель RGB

Монитор компьютера (история развития мониторов) создает цвет непосредственно излучением света и использует, таким образом, систему цветов RGB. Поверхность монитора состоит из мельчайших точек (пикселов) красного, зеленого и синего цветов, форма точек варьируется в зависимости от типа электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Пушка ЭЛТ подает сигнал различной мощности на экранные пикселы. Каждая точка имеет один из трех цветов, при попадании на нее луча из пушки, она окрашивается в определенный оттенок своего цвета, в зависимости от силы сигнала. Поскольку точки маленькие, уже с небольшого расстояния они визуально смешиваются друг с другом и перестают быть различимы. Комбинируя различные значения основных цветов, можно создать любой оттенок из более чем 16 миллионов доступных в RGB.

Лампа сканера светит на поверхность захватываемого изображения (или сквозь слайд); отраженный или прошедший через слайд свет, с помощью системы зеркал, попадает на чувствительные датчики, которые передают данные в компьютер так же в системе RGB.

Система RGB адекватна цветовому восприятию человеческого глаза, рецепторы которого тоже настроены на красный, зеленый и синий цвета.

^ Цветовая модель CMYK

Система цветов CMYK была широко известна задолго до того, как компьютеры стали использоваться для создания графических изображений. Триада основных печатных цветов: голубой, пурпурный и желтый (CMY, без черного) является, по сути, наследником трех основных цветов живописи (синего, красного и желтого). Изменение оттенка первых двух связано с отличным от художественных химическим составом печатных красок, но принцип смешения тот же самый. И художественные, и печатные краски, несмотря на провозглашаемую самодостаточность, не могут дать очень многих оттенков. Поэтому художники используют дополнительные краски на основе чистых пигментов, а печатники добавляют, как минимум, черную краску.

Система CMYK создана и используется для печати. Все файлы, предназначенные для вывода в типографии, должны быть конвертированы в CMYK. Этот процесс называется цветоделением.

^ Цветовые модели HSB и HSL

Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами и сканерами в случае с RGB и типографскими красками в случае с CMYK). Более интуитивным способом описания цвета является представление его в виде тона, насыщенности и яркости — система HSB. Она же известна как система HSL (тон, насыщенность, освещенность).

Тон представляет собой конкретный оттенок цвета, отличный от других: красный, зеленый, голубой и т. п. Насыщенность цвета характеризует его относительную интенсивность (или чистоту). Уменьшая насыщенность, например, красного, мы делаем его более пастельным, приближаем к серому. Яркость (или освещенность) цвета показывает величину черного оттенка, добавленного к цвету, что делает его более темным.

Система HSB имеет перед другими системами важное преимущество: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB, конвертировав затем в RGB или CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен.

^ Индексированный цвет и понятие битовой глубины

Перед тем, как перейти к теме цветового формата, использующего ограниченную палитру цветов, необходимо понять, каким образом в пикселе графического файла записываются данные о цвете.

Пиксел, как и все данные в компьютере, несет в себе определенную информацию (в данном случае о цвете), выражаемую в битах. Понятно, что чем большим количеством бит описывается пиксел, тем больше информации он может в себе нести. Это обозначается понятием "битовая глубина". Битовую глубину изображения часто называют цветовой разрешающей способностью. Она измеряется в битах на пиксел (bit per pixel, bpp). Так если, к примеру, речь идет об иллюстрации, имеющей в каждом пикселе по 8 бит цветовой информации, то ее цветовая разрешающая способность будет 8 bpp. Возведя 2 (компьютер использует двоичную систему счисления) в степень битовой глубины (2 в 8-й степени) получим 256 доступных для 8-битового изображения цветов.

На принципе 8-битного цвета основана широко использовавшаяся в первой половине 90-х и применяемая в Интернете даже сегодня цветовая модель Index Color. Она работает на основе создания палитры цветов. Все оттенки в файле делятся на 256 возможных вариантов, каждому из которых присваивается номер. Далее, на основе получившейся палитры цветов, строится таблица, где каждому номеру ячейки приписывается цветовой оттенок в значениях RGB.

К форматам файлов, использующим только индексированные палитры относятся распространенный в прошлом на РС формат программы Paint — PCX, а так же, не потерявший и в наши дни своей актуальности, GIF. Некоторые форматы как, например, тот же GIF или PNG (читайте о формате PNG в статье на стр. 32), позволяют делать палитры на основе произвольного количества цветов (до 256).

До появления 8-битного цвета, из-за малых мощностей персональных компьютеров тех времен, использовались палитры из 16 цветов (4 bpp), 4 цветов (2 bpp) и самая первая компьютерная графика была однобитовая — 2 цвета. Однобитовые изображения, называемые Bitmap или, иногда, Lineart, используются и сегодня там, где не требуются цвето-тоновые переходы. Равный по размеру Bitmap-файл в 24 раза меньше, чем файл RGB, кроме того очень хорошо сжимается.

^ Цветовая модель Grayscale

Цветовая модель Grayscale представляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цвета пикселам назначена одна из 256 градаций серого. На основе Grayscale легко можно понять строение RGB- и CMYK-файлов.

В RGB для описания цвета используются 24 бита, которые делятся на три группы по 8 бит (то, что называется в Photoshop'е каналами). Одна группа используется для хранения в пикселе величины красного цвета, две другие — зеленого и синего. Они могут дать до 16 700 000 комбинаций оттенков. Аналогичным образом в CMYK существуют 4 группы, для описания цвета используются 32 bpp. Alpha-каналы, быстрая маска, маски слоев в Photoshop'е имеют совершенно сходную 8-битовую природу, но носят вспомогательный характер и не влияют на цвет. Обращу внимание, что если RGB имеет стандартные 256 градаций яркости, то в CMYK яркость измеряется в процентах (то есть до 100). Несмотря на большую, чем в RGB цветовую глубину в 32 бита на пиксел, диапазон оттенков CMYK значительно меньше, чем в RGB, так как CMYK является не более, чем имитацией на экране печатных цветов.

^ Цветовая модель CIE Lab

В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I'Eclairage - международная комиссия по совещанию. L, a, b - обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (L) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Цветовое пространство LAB представляет цвет в трех каналах: один канал выделен для значений яркости (L - Lightnes) и два других - для цветовой информации (А и В). Цветовые каналы соответствуют шкале, а не какому-нибудь одному цвету. Канал А представляет непрерывный спектр от зеленого к красному, в то время как канал В - от синего к желтому. Средние значения для А и В соответствуют реальным оттенкам серого.

Существует похожая цветовая модель YCC, используемая в форматах Kodak Photo CD и FlashPix, здесь не описываемых.

^ Разрешающая способность

Разрешающая способность - это количество элементов в заданной области. Этот термин применим ко многим понятиям, например, таким как:

* разрешающая способность графического изображения;

* разрешающая способность принтера как устройства вывода;

Например, разрешающая способность лазерного принтера может быть задана 300 dpi (dot per inche - точек на дюйм), что означает способность принтера напечатать на отрезке в один дюйм 300 отдельных точек. В этом случае элементами изображения являются лазерные точки, а размер изображения измеряется в дюймах. Разрешающая способность технических устройств по-разному влияет на вывод векторной и растровой графики.

Так, при выводе векторного рисунка (векторная графика) используется максимальное разрешений устройства вывода. При этом команды, описывающие изображение, сообщают устройству вывода положение и размеры какого-либо объекта, а устройство для его прорисовки использует максимально возможное количество точек. Таким образом, векторный объект, например, окружность, распечатанная на принтерах разного качества, имеет на листе бумаги одинаковые положение и размеры. Однако более гладко окружность выглядит при печати на принтере с большей разрешающей способностью, так как состоит из большего количества точек принтера.

Значительно большее влияние разрешающая способность устройства вывода оказывает на вывод растрового рисунка растровая графика. Если в файле растрового изображения не определено, сколько пикселов на дюйм должно создавать устройство вывода, то по умолчанию для каждого пиксела используется минимальный размер. В случае лазерного принтера минимальным элементом служит лазерная точка, в мониторе - видеопиксел. Так как устройства вывода отличаются размерами минимального элемента, который может быть ими создан, то размер растрового изображения при выводе различных устройств также будет неодинаков.

2. Устройства ввода графических данных

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры. Интересно отметить, что с помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами (программами распознавания образов),

Планшетные сканеры. Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал), фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью (ПЗС). Основными потребительскими параметрами планшетных сканеров являются:

*разрешающая способность;

*производительность;

*динамический диапазон;

*максимальный размер сканируемого материала.

Разрешающая способность планшетного сканера зависит от плотности размещения приборов ПЗС на линейке, а также от точности механического позиционирования линейки при сканировании. Типичный показатель для офисного применения: 600-1200 dpi (dpi – dots per inch – количество точек на дюйм). Для профессионального применения характерны показатели 1200-3000 dpi.

Производительность сканера определяется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата и зависит как от совершенства механической части устройства, так и от типа интерфейса, использованного для сопряжения с компьютером.

Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Типовой показатель для сканеров офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров профессионального применения – от 2,5 (для непрозрачных материалов) до 3,5 (для прозрачных материалов).

^ Ручные сканеры. Принцип действия ручных сканеров в основном соответствует планшетным. Разница заключается в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом обеспечиваются неудовлетворительно, и разрешающая способность ручного сканера составляет 150-300 dpi.

^ Барабанные сканеры. В сканерах этого типа исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое качество, но недостаточные линейные размеры (фотонегативов, слайдов и т. п.)

^ Сканеры форм. Предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или <от руки». Необходимость в этом возникает при проведении переписей населения, обработке результатов выборов и анализе анкетных данных.

От сканеров форм не требуется высокой точности сканирования, но быстродействие играет повышенную роль и является основным потребительским параметром.

Штрих-сканеры. Эта разновидность ручных сканеров предназначена для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют применение в розничной торговой сети.

^ Графические планшеты (дигитайзеры). Эти устройства предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Такие устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть). К техническим характеристикам планшетам относятся: разрешающая способность (линий/мм), площадь рабочей области и количество уровней чувствительности к нажатию пера.

^ Цифровые фото- и видеокамеры. Как и сканеры, эти устройства воспринимают графические данные с помощью приборов с зарядовой связью, объединенных в прямоугольную матрицу. Основным параметром цифровых фотоаппаратов является разрешающая способность, которая напрямую связана с количеством ячеек ПЗС в матрице.
  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (1493 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru