Grafika komputerowa

Wprowadzenie do grafiki komputerowej

Rados#aw Mantiuk

Wydzia# Informatyki

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa (ang. computer graphics)

Algorytmy

grafiki komputerowej

(Rendering)

Dane wej"ciowe

scena

Dane wyj"ciowe

obraz 2D

Potok graficzny (ang. graphics pipeline)

Rodzaje algorytmów grafiki komputerowej:

• grafika czasu rzeczywistego (grafika interaktywna),
• grafika realistyczna,
• grafika nierealistyczna (ang. non-realistic computer graphics),
• grafika 2D i 3D,
• grafika rastrowa i wektorowa,
• wizualizacja danych.

Przetwarzanie obrazów

(ang. Image processing)

Analiza obrazów

(ang. Image analysis)

Urz$dzenia

wy"wietlaj$ce

Urz$dzenia

rejestruj$ce

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Geneza

• Lata 60-te - wy"wietlacze znakowe.
• Programy CAD i CAM (General Motors -
projektowanie samochodów, Itek Digitek -
projektowanie soczewek).
• Wektorowe urz$dzenia wy"wietlaj$ce.
• Lata 80-te - monitory rastrowe (Apple,
IBM PC).
• 1984 Silicon Graphics - grafika 3D.
• Karty graficzne 3D (ATI, nVidia).

Rozwój urz$dze% wy"wietlaj$cych.

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (2)

Produkcja filmowa i telewizyjna.

• filmy rysunkowe
• efekty specjalne
• du!e bud!ety
• podej"cie artystyczne
• ró!ne technologie
• postprodukcja

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (3)

Gry komputerowe.

• grafika interaktywna
• olbrzymi rynek

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (4)

Medycyna.

• wizualizacja danych trójwymiarowych
• wysoka precyzja wizualizacji
• bardzo du!e zbiory danych
• algorytmy Volume Rendering’u

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (5)

Systemy CAD/CAM.

• precyzyjna wizualizacja
• z#o!one i prezycyjne modele
• zaawansowane oprogramowanie do modelowania
• wizualizacja realistyczna

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (6)

Wizualizacja naukowa.

• z#o!one modele danych

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (7)

Interfejsy graficzne (GUI - Graphics User Interface).

• grafika 2D
• interfejsy 3D
• interfejsy oparte na GPU

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania (8)

Systemy GIS

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa - Zastosowania

• Gry komputerowe.
• Graficzne interfejsy u!ytkownika (ang. Graphics User Interface).
• Wizualizacja danych medycznych (ang. volume rendering).
• Wizualizacja danych w biznesie i technice.
• Systemy GIS (ang. Geographics Information Systems).
• Systemy CAD.
• Produkcja filmowa i telewizyjna.
• Systemy internetowe.
• Systemy multimedialne.
• Wirtualna rzeczywisto"&.
• Sztuka (np. fotografia).
• Nauka (np. rysowanie wykresów funkcji, wizualizacja zjawisk fizycznych).
• Urz$dzenia przeno"ne (PDA, telefony komórkowe).

Grafika komputerowa

Programowanie grafiki komputerowej

• Algorytmy grafiki realistycznej

• struktury danych
• algorytmy probabilistyczne
• optymalizacje

• Grafika czasu rzeczywistego

• gry komputerowe
• programowanie telefonów i urz$dze% PDA
• symulacje czasu rzeczywistego
• programowanie GPU (ang. Graphics Processor Unit)

• GPGPU (ang. General Purpose GPU)
• Przetwarzanie i analiza obrazów

• fotografia cyfrowa
• technologie HDRI (ang. High Dynamic Range Imaging)

• Graficzne interfejsy u!ytkownika (ang. GUI: Graphics User Interface)

• wspomaganie rysowania GUI

Grafika komputerowa

Obraz rastrowy

Obraz rastrowy - dwuwymiarowa macierz pikseli (bitmapa)

Piksel (ang. pixel) - punkt obrazu (próbka, nie ma wymiaru, nie zajmuje obszaru)
• po#o!enie w rastrze
• kolor

Kolor piksela
• wektor RGBA (Red, Green, Blue, Alpha), ka!da sk#adowa kodowana niezale!nie
• “true color” - 8 bitów na sk#adow$ koloru (32 bity na piksel)

Rozdzielczo"# obrazu (ang. spatial resolution) - liczba pikseli w poziomie i pionie
Aspekt obrazu (ang. aspect ratio) - stosunek wymiarów poziomych do pionowych

Grafika komputerowa

System graficzny (1)

Karta graficzna - podsystem komputera przeznaczony do generowania obrazu,
posiadaj$cy w#asny procesor i pami'&.

CPU

pami'&

RAM

GPU

bufor ramki

(ang. frame buffer)

monitor

CPU nie jest w stanie generowa# obrazu z wymagan$ pr%dko"ci$ ze wzgl%du na
specyficzny charakter algorytmów generowania obrazu i zbyt du!$ liczb% danych.

•

Procesor GPU

(ang. Graphics Procesor Unit) “rysuje” obraz poprzez wype#nianie

odpowiednich komórek pami'ci VRAM.
• Obraz przechowywany jest we

frame buffer’ze

znajduj$cym si' w VRAM’ie. Wielko"&

frame buffer’a zale!y od rozdzielczo"ci obrazu i sposobu kwantyzacji koloru.

Grafika komputerowa

Karta graficzna (1)

pami'& VRAM
(frame buffer)

zegary

Projekt i wykonanie Bogdan Olech

procesor
GPU

slot
koprocesora

RAMDAC

uk#ad
steruj$cy

Grafika komputerowa

Karta graficzna (2)

Cechy karty graficznej:
• procesor GPU (ang. Graphics Procesor Unit) - architektura SIMD, brak skoków i p'tli,
bardzo du!a wydajno"& arytmetyczna, wielopotokowo"&,
• pami'& VRAM (ang. Video RAM) - bardzo szybki dost'p sekwencyjny do pami'ci,
• magistrala - bardzo du!y transfer danych,
• RAMDAC - generowanie analogowych sygna#ów wideo (przetwornik DA),
• zegary - taktowanie procesora i monitora,
• uk#ad steruj$cy - komunikacja procesora z pami'ci$, komunikacja z CPU.

• RAMDAC “czyta” odpowiedni obraz z pami%ci VRAM, przetwarza go na sygna&
analogowy i przesy&a do monitora.

Grafika komputerowa

Kwantyzacja koloru

Liczba bitów na sk#adow$ okre"la dok#adno"& kwantyzacji pewnego zakresu luminancji.
Dla standardowych monitorów LDR (ang. Low Dynamic Range) wystarczy 8 bitów na
sk#adow$, nie wida& wtedy przej"& pomi'dzy odcieniami danej sk#adowej.

5 bitów na sk#adow$

7 bitów na sk#adow$

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Kodowanie koloru (1)

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

• Podanie warto"ci trzech sk#adowych koloru RGB (“true color”).

Grafika komputerowa

Kodowanie koloru (1)

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

• Podanie indeksu do tabeli zawieraj$cej trzy warto"ci sk#adowych RGB (nie stosowane).

LUT - Look-Up Table

Grafika komputerowa

Monitor

• Rozdzielczo"#

• wielko"& piksela obrazu (ang. pitch) ~0.1-0.3 [mm]
• liczba pikseli na cal, np. 80 DPI (ang. Dots per Inch), zmienna dla CRT

• Wymiary ekranu (przek$tna)
• Odwzorowanie koloru (sk#adowe RGB)
• Cz%stotliwo"# od"wie!ania (pionowa i pozioma)
• Wspó&czynnik gamma (nieliniowe mapowanie napi'cia na luminancj')
• Minimalna i maksymalna luminancja (kontrast) - dynamika monitora (maksymalna
luminancja podzielona przez minimaln$ luminancj')

Rastrowe urz$dzenie wy"wietlaj$ce obraz 2D.

Grafika komputerowa

Monitory LCD (ang. Liquid Crystal Display) (3)

Monitory medyczne

• 10-, 12-bitów na
sk#adow$ koloru,
• skalowanie DICOM

Grafika komputerowa

Monitory LCD (ang. Liquid Crystal Display) (1)

Monitor ciek&okrystaliczny
Ciek#y krysz#a powoduje zmian' polaryzacji "wiat#a w zale!no"ci od przy#o!onego do
niego napi'cia.

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Grafika komputerowa

Monitory LCD (ang. Liquid Crystal Display) (3)

• Sterowanie polaryzacj$ ciek#ego kryszta#u odbywa si' za pomoc$ tranzystorów
zamocowanych w matrycy (technologia TFT - Thin Film Transistor).
• Punkt ekranu LCD zachowuje swój stan w zale!no"ci od ustawienia tranzystora (nie
nast%puje ga"niecie punktu z up#ywem czasu).
• Pr'dko"& od"wie!ania to pr%dko"# zmiany stanu polaryzacji ciek&ego kszryszta&u.
• Odcienie szaro"ci uzyskuje si' poprzez czasowe w#$czanie/wy#aczanie polaryzacji
ciek#ego kryszta#u.
• Barwy uzyskuje si' poprzez stosowanie filtrów i zwi'kszenie rozdzielczo"ci matrycy
(trzy komórki na jeden kolorowy punkt obrazu).
• Stosuje si' sztuczne pod"wietlenie matrycy w celu zwi'kszenia kontrastu.
• K$t patrzenia na monitor jest ograniczony przez mo!liwo"ci polaryzacji "wiat#a.

Grafika komputerowa

Korekcja gamma (1)

Zale!no"# pomi%dzy warto"ciami pikseli (RGB) a luminancj$ punktów na monitorze
NIE jest liniowa (je!eli zwi'kszymy warto"& koloru z 100 do 200 nie uzyskamy
dwukrotnego wzrostu luminancji).

Nieliniowa charakterystyka
monitora wynika z faktu
nieliniowej zale!no"ci
pomi'dzy warto"ci$ napi'cia
na katodzie i luminancj$ punktu
na monitorze:

!

L = V

"

,

" #< 1.4,2.8 >

Korekcja gamma

- zmiana

warto"ci pikseli prowadz$ca do
liniowej zale!no"ci pomi'dzy
warto"ciami pikseli i
luminancj$.

Grafika komputerowa

Korekcja gamma (2)

Grafika komputerowa

Kodowanie koloru - dithering (2)

Courtesy of MIT (Lecture Notes 6.837)

Dithering - aproksymacja koloru za pomoc$ wzoru sk#adaj$cego si' z
plamek innych kolorów

Grafika komputerowa

Literatura

• J.D. Foley, A. van Dam, S.K. Feiner, J.F. Hughes, R.L. Phillips, “Wprowadzenie do
grafiki komputerowej”, WNT, Warszawa 1995, ISBN 83-204-1840-213.
• Jan Zabrodzki (pz), “Grafika komputerowa metody i narz'dzia”, WNT, Warszawa 1994,
ISBN 83-204-1716-3.
• Andrew S. Glassner, "Principles of Digital Image Synthesis", Vol. I and II, Morgan
Kaufmann, 1995.