Grafika komputerowa

Grafika komputerowa

Standardy graficzne

Wykład

Standardy graficzne

Standardy graficzne ISO

GKS (

Graphical Kernel System

)

GKS-3D

PHIGS (

Programmer’s Hierarhical Interactive Graphics System

)

PHIGS+

CGM (

Computer Graphics Metafile

)

CGI (

Computer Graphics Interface

)

Standardy przemysłowe

XWindow (

MIT

)

IRIS Performer (

Silicon Graphics

)

OpenGL (

Silicon Graphics

)

PostScript (

Adobe

)

Formaty graficzne

PCX, RLE, TIFF, GIF, JPG, PDF, DXF, 3DS, AV, FLT itd.

Standard GKS

Standard określa zbiór funkcji niskiego poziomu dostępnych dla
programów wykorzystujących grafikę 2D. Zapewnia funkcjonalny
interfejs między programem użytkowym a wejściowymi i
wyjściowymi urządzeniami grafiki komputerowej

ok. 200 podprogramów do tworzenia obrazu z dostępnych
prymitywów graficznych i przyjmowania danych z różnych urządzeń

prymitywy graficzne: łamana, markery, wypełniony obszar, tekst,

tabela komórek

atrybuty: rodzaj i szerokość linii, sposób wypełniania obszaru

definicja 6 logicznych urządzeń do wprowadzania informacji:

a) urządzenie do podawania współrzędnych punktu - lokalizator
b) urządzenie do podawania współrzędnych ciągu punktów
c) urządzenie do podawania wielkości skalarnej – waluator
d) urządzenie do wprowadzania tekstu
e) wskaźnik elementu obrazu
f) wskaźnik wyboru menu

standard umożliwia tworzenie obrazu obiektów, nie daje
możliwości tworzenia modeli graficznych

wykorzystywany do tworzenia wykresów i rysunków
technicznych

Standard GKS-3D

system graficzny 2D i 3D

uogólnienie

standardu

GKS

na

grafikę

trójwymiarową

wszystkie prymitywy standardu 2D uogólnione
do trzech wymiarów

dodatkowe funkcje:

przekształcenia w przestrzeni 3D

operacje usuwania niewidocznych linii i powierzchni

standard

umożliwia

tworzenie

obrazu

obiektów, nie daje możliwości tworzenia
modeli graficznych

Standard PHIGS

Standard umożliwia konstruowanie modeli obiektów
2D o złożonej strukturze logicznej oraz tworzenie
obrazów tych modeli

czynności definiowania modelu i wyświetlania są oddzielone

prymitywy graficzne: linie, markery, tekst, wypełniony obszar
oraz związane z nimi atrybuty

możliwość grupowania elementów składowych modelu

możliwość budowania modeli o strukturze hierarchicznej
(poszczególne elementy mogą być definiowane w różnych
układach współrzędnych a następnie przenoszone do
wspólnego układu)

struktury definiujące model przechowywane w pliku

różne sposoby obserwacji modelu (punkt obserwacji, rodzaj
rzutu: perspektywiczny lub ortogonalny)

Standard PHIGS+

Rozszerzenie standardu PHIGS:

o nowe prymitywy i funkcje do modelowania krzywych i
powierzchni:

siatki trójkątne i czworokątne

krzywe i powierzchnie B-sklejane

funkcje do definiowania źródeł oświetlenia:

światło otaczające

światło punktowe kierunkowe

światło punktowe pozycyjne

światło stożkowe

funkcje do realizacji cieniowania:

stała barwa wielokąta

metoda Gourauda

metoda Phonga

zmiana barwy w funkcji odległości (efekt głębi przestrzennej)

Cieniowanie Gourauda

1.

Wyznaczenie barwy w wierzchołkach trójkąta:
- wyznaczenie wektorów normalnych do wszystkich wierzchołków

jako średniej arytmetycznej wektorów normalnych wszystkich ścian,
do których ten wierzchołek należy.

- na podstawie wektora normalnego wyznaczenie barwy wierzchołka

korzystając z wybranego modelu oświetlenia

2.

Liniowa interpolacja barwy dla wszystkich punktów wielokąta zgodnie
z zaprezentowanymi wzorami

.

Cieniowanie Phonga

Cieniowanie metodą Phonga polega na interpolacji wektora normalnego dla
każdego punktu wielokąta, a następnie wyznaczenie na tej podstawie
intensywności barwy.

Etapy:
1.

Wyznaczenie wektorów normalnych do wszystkich wierzchołków wielokąta
jako średniej arytmetycznej wektorów normalnych wszystkich ścian, do
których ten wierzchołek należy.

2.

Liniowa interpolacja wartości wektorów normalnych dla wszystkich punktów
wielokąta (dla wszystkich pikseli):
2.1. Interpolacja wzdłuż krawędzi;
2.2. Interpolacja wzdłuż linii horyzontalnych.

3.

Na podstawie wartości wektorów normalnych wyznaczenie barwy dla
wszystkich punktów wielokąta zgodnie z przyjętym modelem oświetlenia

Cieniowanie - porównanie

a)

model nieoświetlony

b)

cieniowanie stałą barwą wielokąta

c)

cieniowanie metodą Gourauda

d)

cieniowanie metodą Phonga

Standard CGI

Standard definiuje abstrakcyjne urządzenie graficzne
zdolne do przyjmowania, przechowywania i przetwarzania
informacji wejściowych oraz generowania wyjściowych
informacji obrazowych

funkcje standardu są niezależne od urządzenia

funkcje standardu są ulokowane pomiędzy oprogramowaniem (standard

GKS) a urządzeniem lub metaplikiem

Funkcje CGI:

funkcje sterujące: określają tryby pracy innych funkcji

prymitywy graficzne i ich atrybuty: opisują elementy obrazu

funkcje rastrowe: umożliwiają generowanie i przetwarzanie map bitowych

funkcje segmentowe: umożliwiają pamiętanie i manipulowanie grupami

prymitywów i ich atrybutów

funkcje wejściowe: umożliwiają odbieranie danych obrazowych

funkcje zewnętrzne: umożliwiają działanie na danych nie związanych
bezpośrednio z generowaniem obrazu

Standard CGI

Standardy przemysłowe

XWindow (

MIT

)

IRIS Performer (

Silicon Graphics

)

OpenGL (

Silicon Graphics

)

PostScript (

Adobe

)

OpenGL (

Silicon Graphics, 1991)

szeroko stosowany standard rozwijany i dokumentowany przez
konsorcjum OpenGL Architecture Review Board (

Silicon

Graphics, IBM, Intel, HP, Microsoft, Intergraph

)

biblioteka kilkuset procedur i funkcji graficznych opracowana dla
potrzeb najnowszych tendencji w technologii sprzętu grafiki
komputerowej. Wykorzystywany model klient – serwer, w którym
klient (program) wysyła polecenia a serwer (GL) wykonuje
polecenia

OpenGL jest niezależny od systemu operacyjnego (UNIX, Linux,
Win95/98/NT, Mac OS, OS/2) i dostępny na wielu platformach
sprzętowych

OpenGL stanowi podstawę do tworzenia zaawansowanych bibliotek
graficznych (np.

SGI OpenGL Performer, MultiGen-Paradigm Vega

Prime, Open Scene Graph

)

Co umożliwia OpenGL?:

modelowanie obiektów 2D/3D w oparciu o szeroką listę
prymitywów graficznych w pełnym zestawie barw (24 bity)

wykonywanie na

obiektach przekształceń geometrycznych

(translacje, rotacje, skalowanie, rzutowanie)

wykonywanie

obliczeń

związanych

z

oświetleniem,

odwzorowaniem tekstur i usuwaniem niewidocznych linii i
powierzchni

wspomaganie programisty w zakresie realizacji złożonych efektów
graficznych, takich jak: wizualizacja mgły i głębi przestrzennej,
rozmycie obiektów w ruchu, oraz usuwanie efektu aliasingu

Czego nie umożliwia OpenGL?:

zarządzania oknem graficznym i pętlą obsługi zdarzeń

opisywania

złożonych

obiektów

za

pomocą

gotowych

mechanizmów

(np.

brak

wbudowanych

mechanizmów

zapisywania/czytania modeli obiektów z pliku)

generowania w sposób automatyczny efektów wizualnych takich
jak: cienie, odbicia lustrzane obiektów

Możliwości funkcjonalne

opis geometryczny za pomocą odcinków, trójkątów i czworokątów

krzywe

i

powierzchnie

nieregularne

definiowane

przez

niejednorodne parametryczne funkcje B-sklejane (NURBS)

pełen zestaw barw (24 bity)

cieniowanie metodą Gourauda

operacje HLHSR realizowane z wykorzystaniem Z-bufora

modelowanie oświetlenia (do 8 różnych źródeł światła)

operacje na pixelach

funkcje sterujące buforowaniem ekranu

antyaliasing

funkcje sterujące nakładaniem (mapowaniem) tekstury

modelowanie efektów atmosferycznych (mgła, zachmurzenie, pora
dnia i nocy, głębia przestrzenna)

możliwość implementacji sprzętowej funkcji i procedur

Prymitywy graficzne w OpenGL

Przykład modelowania obiektu

Void Kwadrat()
{

glColor3f(0.0,0.0,1.0);
glBegin(GL_QUADS);

glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);
glVertex3f(0.0, 1,0, 0.0);
glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);
glVertex3f(1.0, 0.0, 0.0);

glEnd();

}

Płaszczyzna XY

Obiekt: kwadrat o boku 1 leżący na płaszczyźnie XY

Przykład modelowania obiektu

Void Koło()
{

glColor3f(0.0,1.0,0.0);
glBegin(GL_TRIANGLE_FUN);

glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);

for (i=0; i*dAlfa<=360.0; i++);

{

glVertex3f(r*cos(DEG2RAD(i*dAlfa)),

0.0,r*sin(DEG2RAD(i*dAlfa)));

}

glEnd();

}

Obiekt: koło o promieniu r i środku w punkcie (0,0,0) leżące na płaszczyźnie XZ

- dAlfa – wartość kąta wyznaczającego kolejny punkt na okręgu

dAlfa=360/N; gdzie: N-liczba podziałów koła

Płaszczyzna XZ

v

1

v

2

v

3

v

4

v

5

v

6

v

8

v

7

v

0

Przykład modelowania obiektu

Void powierzchnia_boczna_walca()
{

glColor3f(1.0,1.0,0.0);
glBegin(GL_QUAD_STRIP);

for (i=0; i*dAlfa<=360.0; i++);

{

glVertex3f(r*cos(DEG2RAD(i*dAlfa)),

0.0,r*sin(DEG2RAD(i*dAlfa)));

glVertex3f(r*cos(DEG2RAD(i*dAlfa)),

h,r*sin(DEG2RAD(i*dAlfa)));

}

glEnd();

}

Obiekt: powierzchnia boczna walca o promieniu r, wysokości h, o środku dolnej

podstawy w punkcie (0,0,0) leżącej na płaszczyźnie XZ

- dAlfa – wartość kąta wyznaczającego kolejny punkt na brzegu podstawy

dAlfa=360/N; gdzie: N-liczba podziałów pionowych walca

Z

X

Y

V

i+1

V

i+3

V

i+2

V

i

r

h

Podstawowe przekształcenia modelujące

przesunięcia

glTranslate*(x,y,z)

skalowanie

glScale*(sx,sy,sz)

obrót wokół zadanej osi

glRotate*(α,x,y,z)

Przekształcenia rzutujące

Rodzaje rzutów w OpenGL:

rzut perspektywiczny

glFrustum*(l,r,b,t,n,f)

rzut ortogonalny (równoległy)

glOrtho*(l,r,b,t,n,f)

Funkcje generują macierz przekształcenia

P

Etapy rzutowania:

przekształcenie współrzędnych obserwatora do współrzędnych

odciętych (macierz

P

),

odcięcie (odrzucenie) prymitywów leżących poza kanoniczną bryłą

widzenia

PostScript (

Adobe, 1991)

Język opisu stron przeznaczony do transmisji i przechowywania
dokumentów drukowanych bądź wyświetlanych. Tekst i obrazy są
traktowane jako obiekty i podlegają takim samym przekształceniom
jak wektory. Plik PostScript zawiera nagłówek definiujący, który jest
wykorzystywany do automatycznego rozplanowania strony.

Proces tworzenia dokumentu drukowanego przebiega dwustopniowo:

A.

generacja opisu niezależnego od urządzenia przez program użytkowy

B.

interpretacja opisu przez program sterujący urządzeniem rastrowym

Podstawowe typy obiektów graficznych:

tekst: różne fonty, wielkości czcionki, orientacja, położenie na stronie

grafika: prymitywy - odcinki, łuki, krzywe Beziera

atrybuty – grubość linii, rodzaj wypełnienia (poziom szarości, barwa

określona w jednym z modeli RGB, HSB, CMYK, XYZ, YIQ, YUV, wzorzec)

obrazy: mapy bitowe dowolnie położone i zorientowane, możliwość
skalowania

Formaty graficzne

PCX (

Zsoft Corporation

)

opracowany dla obrazów generowanych przez program
Paintbrush

128-bajtowy nagłówek definiujący specyfikację obrazu:

sposób kodowania

liczba bitów na pixel

rozmiary obrazu

rodzaj palety barw

liczba warstw

sposób interpretacji palety barw

dane obrazowe 1-bajtowe zakodowane metodą ciągu
powtórzeń

Formaty graficzne – cd.

RLE (

Uniwersytet w Utah

)

przeznaczony do pamiętania wielowarstwowych
obrazów rastrowych (do 255 warstw)

dowolne rozmiary obrazów

8 bitów na składowe R, G, B i A

dane obrazowe w postaci skompresowanej

Formaty graficzne – cd.

TIFF (

Tag Image Format File

- Aldus Corporation)

opracowany do opisu i przesyłania obrazów rastrowych

dowolne rozmiary obrazów

obrazy czarno-białe, monochromatyczne z pełną gradacją szarości,
kolorowe z paletą barw lub pełną barwą

różne modele koloru (RGB, CMYK, YCrCb)

możliwość wykorzystania różnych metod kompresji

obrazy mogą pochodzić z różnych urządzeń (skanery, kamery,
urządzenia akwizycji obrazów) oraz z różnych programów do
malowania i retuszowania

możliwość dodawania specjalnych informacji

możliwość rozbudowy formatu o nowe funkcje

Formaty graficzne – cd.

JPEG – (

Joint Photographic Experts Group

)

standardowa metoda kompresji zdigitalizowanych fotografii

kodowanie kolorów: True Color RGB 2

24

=16,7 mln barw

kompresja stratna, próbkowane są bloki 8x8 pikseli: dokładnie
zapamiętywana jest uśredniona wartość barwy, informacje o
zmianach jasności lub koloru pikseli zapamiętywane są mniej
dokładnie niż obszary jednolite. Im większy stopień kompresji, tym
więcej pikseli w bloku będzie miało zbliżoną barwę. Transformacyjna
metoda kompresji DCT (

Digital Cosinus Transform

) połączona z

kodowaniem różnicowym

najpopularniejszy format kodowania obrazów o pełnej skali szarości
i kolorowych dla potrzeb sieci Internet, programów prezentacyjnych
i multimedialnych, wymagających plików o niewielkich rozmiarach

im większy stopień kompresji tym mniejszy plik i tym większa strata
jakości. Z obrazu mogą zostać usunięte drobne szczegóły, a linie i
ostre krawędzie zostaną rozmyte. Fotografia po skanowaniu
kodowana jest przeciętnie przy użyciu 1 bitu na piksel.

uwaga: należy używać zawsze tego samego stopnia kompresji przy
wielokrotnym ponownym kompresowaniu tego samego obrazu JPEG

Formaty graficzne – cd.

PDF – (

Portable Document Format

)

format plików służący do prezentacji, przenoszenia i drukowania treści

tekstowo-graficznych;

opracowany i promowany przez firmę

Adobe Systems

;

językiem opisu pliku PDF jest okrojona wersja języka programowania

PostScript

;

czytnik formatu (

Acrobat Reader

) jest udostępniany za darmo przez firmę

Adobe na wiele platform sprzętowo-programowych;

istnieje szereg programów płatnych i darmowych mogących wyświetlać,

tworzyć i modyfikować pliki w tym formacie – np.

Ghostscript

;

wiele programów dysponuje funkcją eksportu swoich dokumentów do formatu

PDF - w tym większość pakietów biurowych oraz praktycznie wszystkie

współczesne programy DTP;

istnieje możliwość szyfrowania dokumentów PDF i specyfikowania ograniczeń

czynności, które nie mogą być dokonywane przez użytkownika;

sterowniki PDF - programy działające jak wirtualna drukarka;

PDF995 - darmowy driver do tworzenia dokumentów PDF dostępny na stronie

http://www.pdf995.com

(po zainstalowaniu na liście drukarek pojawi się

wirtualna drukarka o nazwie PDF995).

Formaty graficzne – cd.

GIF (

Graphics Interchange Format

- CompuServe)

opracowany dla potrzeb transmisji obrazów rastrowych
w standardzie VGA z co najwyżej 8 bitami na pixel

DXF (

Drawing Exchange File

- AutoDesk)

opracowany dla potrzeb opisu rysunków tworzonych w
programie AutoCAD

OpenFlight (FLT) (MultiGen Inc.)

format graficznej reprezentacji obiektów 3D

wykorzystywany w generatorach obrazu „real-time”

hierarchiczna struktura opisu modelu obiektów

grupy i klasy





MultGen

MultGen

II Pro (SGI)

II Pro (SGI)





MultiGen Creator

MultiGen Creator

(NT)

(NT)

Charakterystyka:

Charakterystyka:





program do tworzenia i edycji

program do tworzenia i edycji

graficznych baz danych w standardzie

graficznych baz danych w standardzie

OpenFlight

OpenFlight





posiada zintegrowane narzędzia

posiada zintegrowane narzędzia

wspomagające modelowanie

wspomagające modelowanie

ukształtowania i pokrycia terenu

ukształtowania i pokrycia terenu





umożliwia zautomatyzowane

umożliwia zautomatyzowane

modelowanie przyrządów pokładowych

modelowanie przyrządów pokładowych

OpenFlight

– program modelujący

Korzeń

Korzeń

Korzeń

Grupa 1

Grupa 1

Grupa 1

Grupa 2

Grupa 2

Grupa 2

Grupa 3

Grupa 3

Grupa 3

Obiekt 1

Obiekt 1

Obiekt 1

Obiekt 2

Obiekt 2

Obiekt 2

Obiekt 3

Obiekt 3

Obiekt 3

Grupa 4

Grupa 4

Grupa 4

Grupa 5

Grupa 5

Grupa 5

Grupa 6

Grupa 6

Grupa 6

OpenFlight

– hierarchiczna struktura bazy danych

DCS (

DCS (

Dynamics Coordinate

Dynamics Coordinate

System

System

)

)

–

–

dynamiczny układ współrzędnych

dynamiczny układ współrzędnych

Czołg

M1-A1

Czołg

Czołg

M1

M1

-

-

A1

A1

Wieża

Wieża

Wieża

Działo

Działo

Działo

Działo

Działo

Działo

Kadłub

wieży

Kadłub

Kadłub

wieży

wieży

-

-

grupa DCS

grupa DCS

Kadłub

Kadłub

Kadłub

OpenFlight

– grupa DCS

LOD (

LOD (

Level of Detail

Level of Detail

)

)

–

–

poziom szczegółowości

poziom szczegółowości

L 1

L 1

L 1

L 2

L 2

L 2

L 3

L 3

L 3

d1

d1

d2

d2

d3

d3

d0

d0

SA-6

d0 - d1

SA

SA

-

-

6

6

d0

d0

-

-

d1

d1

SA-6

d1 - d2

SA

SA

-

-

6

6

d1

d1

-

-

d2

d2

SA-6

d2 - d3

SA

SA

-

-

6

6

d2

d2

-

-

d3

d3

-

-

grupa LOD

grupa LOD

SA-6

0 – d0

SA

SA

-

-

6

6

0

0

–

–

d0

d0

SA-6

SA

SA

-

-

6

6

OpenFlight

– grupa LOD

Obiekt

Obiekt

Obiekt

sprawny

Obiekt

sprawny

Obiekt

uszkodzony

Obiekt

uszkodzony

Obiekt

zniszczony

Obiekt

zniszczony

- switch

OpenFlight

– grupa Switch

Eksplozja

Eksplozja

Eksplozja

Klatka 1

Klatka

Klatka

1

1

Klatka 2

Klatka

Klatka

2

2

Klatka n

Klatka

Klatka

n

n

-

-

sekwencja

sekwencja

.......

.......

OpenFlight

– grupa Sekwencja