ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

 

Самая важная функция компьютера – обработка информации. Особо можно выделить обработку информации, связанную с изображениями. Она разделяется на три основные направления: визуализация, обработка и распознавание изображений.

Визуализация – создание изображения на основе описания (модели) некоторого объекта:

Существует большое количество методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собой в зависимости от того, что и как должно быть отображено: график функции, диаграмма, схема, карта или имитация трехмерной реальности. Важными и связанными между собой факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.

Обработка изображений – это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение, а результат – изображение другого качества

Примерами обработки изображений могут служить повышение контраста, четкости, коррекция цветов, редукция цветов, сглаживание, уменьшение шумов и т.д. В качестве материала обработки могут быть космические снимки, отсканированные изображения, радиолокационные, инфракрасные изображения и т.п. Задачей обработки изображений может быть, как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально изменяющее изображение. В последнем случае обработка изображений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения. Например, перед распознаванием часто необходимо выделять контуры, создавать бинарное изображение, разделять исходное изображение по цветам. Методы обработки изображения могут существенно различаться в зависимости от того, каким путем оно получено: синтезировано системой КГ, получено в результате оцифровки черно-белой или цветной фотографии.

Основной задачей распознавания изображений является получение описания изображенных объектов. Методы и алгоритмы распознавания разрабатывались, прежде всего, для обеспечения зрения роботов и для систем специального назначения. Но в последнее время компьютерные системы распознавания изображений используются в повседневной практике, например, офисные системы распознавания текстов или программы векторизации.

Цель распознавания может формулироваться по-разному: выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты), классификация изображения в целом (например, проверка, изображен ли определенный объект, или установление персоны по отпечаткам пальцев).

Методы классификации и выделения отдельных элементов могут быть взаимосвязаны. С одной стороны, классификация может быть выполнена на основе структурного анализа отдельных элементов объекта, с другой – для выделения отдельных элементов изображения можно использовать методы классификации.

Задача распознавания является обратной по отношению к визуализации:

Сферы применения компьютерной графики:

● САПР (системы автоматизированного проектирования);

● деловая графика (графическое представление данных);

● визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);

● медицина (компьютерная томография, УЗИ и т.д.);

● геодезия и картография (ГИС);

● полиграфия (схемы, плакаты, иллюстрации);

● сфера массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);

● кинематография (спецэффекты, компьютерная мультипликация);

● быт (компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).

Столь широкое распространение компьютерная графика получила с появлением интерактивных графических систем.

Понятие "интерактивная компьютерная графика" (ИКГ) предполагает способность компьютерной системы создавать графику и вести диалог с человеком. В системе ИКГ пользователь воспринимает на дисплее изображение, представляющее некоторый сложный объект, и может вносить изменения в описание (модель) объекта. Такими изменениями могут быть ввод и редактирование отдельных элементов, задание числовых значений для любых параметров, различные операции по вводу информации на основе восприятия изображений человеком. В настоящее время почти любую программу можно считать системой интерактивной компьютерной графики.

Исторически первыми интерактивными системами считаются системы автоматизированного проектирования (САПР), которые появились в 60-х годах XX века. Они используются во многих областях: машиностроение, электроника, проектирование самолетов и автомобилей, при разработке микроэлектронных интегральных схем, в архитектуре.

Все более популярными становятся геоинформационные системы (ГИС). Они используют методы и алгоритмы многих наук и информационных технологий: последние достижения технологий баз данных, в них заложены многие алгоритмы и методы математики, физики, геодезии, топологии, картографии, навигации и, конечно же, компьютерной графики. Системы типа ГИС зачастую требуют значительных мощностей компьютера как для работы с базами данных, так и для визуализации объектов.

Типичными для любой ГИС являются следующие операции: ввод и редактирование объектов с учетом их расположения на поверхности Земли; формирование разнообразных цифровых моделей и хранение их в базах данных; анализ множества объектов, расположенных на некоторой территории, с учетом пространственных, топологических отношений.

Важным этапом развития систем КГ являются системы виртуальной и дополненной реальности (virtual reality). Наращивание мощностей компьютера, повышение реалистичности трехмерной графики, совершенствование способов диалога с человеком позволяют создавать иллюзию вхождения человека в виртуальное пространство, которое может быть моделью существующего или выдуманного пространства. Системы класса виртуальной реальности для диалога с компьютером обычно используют такие устройства, как шлем-дисплей, сенсоры на теле человека.

В современных компьютерных играх значительную роль играют анимация, реалистичность изображений, совершенство способов ввода-вывода информации. Следует отметить, что во многих игровых программах используются идеи и методы, разработанные для профессиональных компьютерных систем, таких как тренажеры для летчиков.

Деловая графика

Понятие деловой графики включает методы и средства графической интерпретации научной и деловой информации: таблицы, схемы, диаграммы, иллюстрации, чертежи.

Среди программных средств КГ особое место занимают средства деловой графики. Они предназначены для создания иллюстраций при подготовке отчетной документации, статистических сводок и других иллюстративных материалов. Программные средства деловой графики включаются в состав текстовых и табличных процессоров.

В среде MS Office имеются встроенные инструменты для создания деловой графики: графический редактор Paint, средство MS Graph, диаграммы MS Excel .

 

Визуализация изображений

Наиболее известны два способа визуализации: растровый и векторный.

Растровая визуализация основана на представлении изображения на экране или бумаге в виде совокупности отдельных точек (пикселей). Вместе пиксели образуют растр. Растровая визуализация ассоциируется с такими графическими устройствами, как дисплей, телевизор, принтер.

Векторная визуализация основана на формировании изображения на экране или бумаге рисованием линий (векторов) — прямых или кривых. Совокупность типов линий (графических примитивов), которые используются как базовые для векторной визуализации, зависит от определенного устройства. Качество векторной визуализации для векторных устройств обуславливается точностью вывода и номенклатурой базовых графических примитивов — линий, дуг, кругов, эллипсов и других. Векторная визуализация используется в векторных дисплеях, плоттерах.

Доминирующим сейчас является растровый способ визуализации. Это обусловлено большей распространенностью растровых дисплеев и принтеров. Недостаток растровых устройств — дискретность изображения. Недостатки векторных устройств — проблемы при сплошном заполнении фигур, меньшее количество цветов, меньшая скорость (в сравнении с растровыми устройствами).

 

Кадровый буфер (англ. framebuffer) (другие названия: буфер кадра, видеобуфер, фреймбуфер) — реальное или виртуальное электронное устройство, или область памяти для кратковременного хранения одного или нескольких кадров в цифровом виде перед его отправкой на устройство видеовывода. Буфер может быть использован для выполнения над кадром различных предварительных операций, организации стоп-кадра, устранения мерцания изображения и др. Обычно кадр хранится в виде последовательности цветовых значений каждого пиксела изображения. Цветовые значения чаще всего хранятся в следующих форматах: одноразрядный (монохромный; 1 бит), 4/8-битный (палитровый), 16-битный (High Color) и 24-битный (True Color); также может присутствовать альфа-канал. Размер памяти, необходимый для хранения одного кадра, зависит от разрешения и глубины цвета.

Аппаратные средства (вывод)

Дисплеи

•  ЭЛТ

•  Жидкокристаллический дисплей

•  Плазменная панель

•  Дисплей на светодиодах (LED)

•  Дисплей на органических светодиодах (OLED)

•  «Электронная бумага»

Проекторы

Принтеры и плоттеры

•  Матричные

•  Струйные

• Лазерные

Сканеры

•  Барабанные

•  Планшетные

•  Протяжные

•  Ручные

•  Слайд-сканеры

Цифровые фотоаппараты и видеокамеры