Grażyna Kamińska, Paweł Fritzkowski

Grafika komputerowa

Wstęp

Literatura

1. O. Angell, Wprowadzenie do grafiki komputerowej, Warszawa, WNT 1988.
2. J. D. Foley, A. van Dam, S. K. Feiner, J. F. Hughes, R. L. Philips, Wprowadzenie do grafiki komputerowej, Warszawa, WNT 2001.
3. P. Kiciak, Podstawy modelowania krzywych i powierzchni. Zastosowania w grafice komputerowej, Warszawa, WNT 2000.
4. M. Jankowski, Elementy grafiki komputerowej, Warszawa, WNT 2006.
5. A. Marciniak, Grafika komputerowa w języku Turbo Pascal, Poznań, Wydawnictwo Nakom 1998.
6. T. Pavlidis, Grafika i przetwarzanie obrazów, Warszawa, WNT 1987.
7. I. Horton, Visual C++ 2005, Wyd. Helion, Gliwice 2006.

Cel nauczania

1. Zapoznanie z podstawami grafiki komputerowej oraz z najczęściej stosowanymi algorytmami wizualizacji obiektów.
2. Wykształcenie umiejętności stosowania grafiki komputerowej do prezentacji wyników badań.

Wymagania

Zajmowanie się grafiką komputerową wymaga:

-

wiadomości z zakresu:

a) rachunku wektorowego i macierzowego,
b) geometrii wykreślnej,
c) dwu- i trójwymiarowej geometrii analitycznej,
d) metod numerycznych,
e) kinematyki ruchu,

-

biegłości w programowaniu,

-

dobrej orientacji we współczesnej technologii komputerowej.

Środki i narzędzia

- język programowania C++
- platforma programowa Visual Studio

Zagadnienia

1. Wprowadzenie do grafiki komputerowej.
2. Podstawowe wiadomości dotyczące tworzenia aplikacji okienkowych w środowisku Visual Sudio. Graficzny interfejs użytkownika.
Elementarna obsługa zdarzeń.
3. Zapoznanie ze podstawowymi środkami do realizacji grafiki wektorowej.
4. Przekształcenia afiniczne na płaszczyźnie z wykorzystaniem macierzowej reprezentacji we współrzędnych jednorodnych.
5. Transformacje w przestrzeni z wykorzystaniem macierzowej reprezentacji we współrzędnych jednorodnych.
6. Elementy grafiki animowanej.
7. Modelowanie brył i powierzchni. Modele siatkowe.
9. Przygotowanie programu służącego do obrazowania obiektów 3D.

Zagadnienia realizowane podczas ćwiczeń laboratoryjnych

1. Tworzenie prostych programów z wykorzystaniem procedur graficznych:

– okno graficzne,
– układ współrzędnych w oknie,
– rysowanie podstawowych prymitywów graficznych,
– rysowanie obiektów z zachowaniem proporcji.

2. Przygotowanie programu służącego do wykonania statycznego rysunku.
3. Przygotowanie programu służącego do wykonania wykresu funkcji jednej zmiennej.
4. Przygotowanie programu wykorzystującego transformacje afiniczne do przekształcania obrazu.
5. Przygotowanie programu służącego do animacji wybranych zagadnień kinematycznych i dynamicznych.

Grafika komputerowa jest działem informatyki zajmującym się tworzeniem obrazów na podstawie informacji mówiąc najogólniej nie-
graficznych.
Grafika komputerowa jako dział informatyki koncentruje się na rozwoju



zaawansowanych struktur danych służących do reprezentowania i zapamiętywania obrazów,



wydajnych specjalistycznych algorytmów służących do generowania obrazów.

1

Grażyna Kamińska, Paweł Fritzkowski

Grafika komputerowa

Wstęp

Grafika komputerowa jest ściśle powiązana z dwoma innymi działami informatyki



nauką o przetwarzaniu obrazów,



nauką o rozpoznawaniu obrazów.

Przetwarzanie obrazów dotyczy zagadnień, w których dane wejściowe i wyjściowe mają postać obrazów. Typowym przykładem zasto­
sowań teorii przetwarzania obrazów są systemy przesyłania obrazów.
Z kolei rozpoznawanie obrazów koncentruje się na opracowaniu metod opisu obrazów wejściowego i zaszeregowania ich do jakiejś
określonej klasy. Proces rozpoczyna się od obrazu, a wynikiem końcowym jest odpowiednio uporządkowana struktura danych liczbo ­
wych i tekstowych. W tym względzie zagadnienia teorii rozpoznawania obrazów stanowią odwrotność zagadnień grafiki komputero­
wej.

Przykłady zastosowań grafiki komputerowej

Grafika komputerowa znajduje obecnie powszechne zastosowanie w nauce, technice, kulturze oraz rozrywce. Oto ważniejsze z za­

stosowań grafiki komputerowej:

-

graficzne interfejsy użytkownika – to zastosowania z dziedziny tak zwanej grafiki interakcyjnej,

-

tworzenie wykresów funkcji jednej i dwóch zmiennych, opracowanie danych eksperymentalnych w postaci różnego rodzaju wykre­

sów – to domena grafiki analitycznej,

-

tworzenie slajdów, przezroczy i tym podobnych materiałów na potrzeby prezentacji publicznych – to zastosowania z zakresu grafiki

prezentacyjnej,

- projektowanie i kreślenie wspomagane komputerowo (systemy CAD),
- w kartografii do tworzenia map na podstawie różnorodnych informacji,
- w medycynie do diagnostyki oraz planowania operacji,
- w nauce do obrazowania złożonych modeli fizycznych i matematycznych,

-

symulacje i animacje pomocne przy wizualizacji naukowej - obrazowanie zmiennych w czasie zjawisk na przykład przepływu cie­

czy, deformacji konstrukcji, przebiegu reakcji chemicznych itp.,

- w sztuce (sztuki plastyczne),
- efekty specjalne w produkcji filmów,

- rozrywka – gry komputerowe, symulatory itp.

Grafika obiektowa i rastrowa

W zależności od sposobu tworzenia i kodowania obrazów (w celu ich przechowania, zapamiętania) rozróżniamy grafikę



obiektową, nazywaną także grafiką wektorową,



rastrową, nazywaną inaczej grafiką bitową.

Programy służące do tworzenia grafiki wektorowej, czyli tak zwane programy rysunkowe, tworzą obrazy z określonego zbioru ele­
mentów graficznych zwanych obiektami lub prymitywami. Zestawy prymitywów w różnych pakietach graficznych mogą się różnić.
Jedne pakiety dają programistom możliwość korzystania z wielu gotowych obiektów, inne pakiety są dużo uboższe. Obiekty pakietu
graficznego dzielimy na:

-

graficzne,

2

opis, dane,
idea

obraz

Grafika
komputerowa

x

y

Grażyna Kamińska, Paweł Fritzkowski

Grafika komputerowa

Wstęp

-

tekstowe.

W skład minimalnego zestawu prymitywów wchodzą:

punkt, odcinek, koło, prostokąt i znaki tekstowe.

Obiekty są definiowane i zapamiętywane jako struktury matematyczne (współrzędne charakterystycznych punktów, charaktery­

styczne parametry, wzory matematyczne itp.). Każdy obiekt jest reprezentowany za pomocą charakterystycznych dla niego danych na
przykład okrąg przez środek i promień, odcinek – przez współrzędne punktów końcowych. Również tak zwane atrybuty obiektów, jak
kolor, styl i grubość linii, sposób wypełnienia obszaru są reprezentowane za pomocą liczb według umownie przyjętego sposobu kodo­
wania. Program rysunkowy, realizując określony algorytm, generuje obraz prymitywów na podstawie aktualnych wartości ich parame ­
trów. Dzięki takiej reprezentacji w łatwy sposób i bez start jakości obrazu można zmieniać wymiary, kolory i inne atrybuty obiektów.
Można też łatwo przekształcać obiekty – na przykład obracać je, przesuwać czy deformować.

Grafiki wektorowej nie dotyczy pojęcie rozdzielczości rysunku – rysunek stworzony jest z idealnych w sensie geometrycznym pry­

mitywów. Natomiast jest on zawsze realizowany z rozdzielczością, jaką gwarantuje urządzenie wyjściowe (monitor, drukarka, naś­
wietlarka itp.). W chwili obecnej dominują wyświetlacze rastrowe, więc programy rysunkowe są zmuszone przedstawiać idealne figury
geometryczne w skończonej rozdzielczości.

Programy służące do tworzenia grafiki rastrowej, czyli tak zwane programy malarskie, tworzą obrazy na prostokątnej siatce nie­

wielkich elementów, zwanych pikselami albo pelami (skrót od angielskiego terminu picture elements). Obraz taki nazywamy często
mapą bitową bądź mapą pikselową. Piksel jest najmniejszą częścią obrazu, której przypisane są:

-

określone położenie na siatce,

-

określona barwa.

W zależności od tego, czy mamy do czynienia z obrazami monochromatycznymi czy też wielobarwnymi, do reprezentacji koloru pik ­
sela potrzebny jest 1 bit bądź kilka bitów. Na przykład przy reprezentacji

8-bitowej mamy do dyspozycji 2

8

= 256 różnych kolorów,

24-bitowej – 2

24

, to jest ponad 16.7 mln kolorów.

Obok liczby dostępnych kolorów, istotną cechą obrazów rastrowych jest ich rozdzielczość zdeterminowana przez wielkość oczka pro ­
stokątnej siatki.
Rozdzielczością nazywamy liczbę pikseli przypadających na jednostkę powierzchni i określamy ją w punktach na cal – dpi (dots per
inch).
Rozdzielczość mapy bitowej jest założona a priori w momencie jej tworzenia i nie może być modyfikowana bez szkody dla jej jakości.
Wszelkie przeskalowania obrazu prowadzą do utraty jakości. Modyfikacje obrazu polegające na przykład na usunięciu linii, czy skory­
gowaniu jakiegoś kształtu są trudne w realizacji, gdyż w przeciwieństwie do obrazów wektorowych nie istnieje jawna korelacja po­
między zawartością merytoryczną obrazu, a jego reprezentacją (rozpoznawanie obrazów). Pozostaje więc żmudna metoda edycji obra­
zu „piksel po pikselu”.
Natomiast niewątpliwą zaletą tego typu obrazów jest możliwość uzyskania subtelnych przejść tonalnych, co jest szczególnie cenione
w zastosowaniach artystycznych.

Kilka słów o sprzęcie

Podstawowym urządzeniem wyjściowym, na którym tworzone są obrazy graficzne jest monitor, który jest tak zwanym urządze­

niem rastrowym. Monitor obsługiwany jest przez kartę graficzną, która steruje jego pracą. Elementami karty graficznej są układy pa­
mięci video przeznaczone do przechowywania zakodowanych w postaci cyfrowej obrazów, które są aktualnie albo dopiero mają zostać
wyświetlone na monitorze. Inny układ znajdujący się także na karcie graficznej zmienia cyfrową informację o obrazie na postać analo ­
gową. Jest ona przesyłana na monitor, na którym realizuje się widzialny obraz.

Karta graficzna i sterowany przez nią monitor mogą pracować w jednym z dwóch trybów:
-

tekstowym ( w najczęściej spotykanym standardzie 80 znaków w każdym z 25 wierszy),

-

graficznym.

W trybie graficznym można podświetlić lub wygasić każdy punkt na ekranie, niezależnie od pozostałych. Tryb graficzny jest określony
przez rozdzielczość i liczbę kolorów. Podkreślmy, że w tym przypadku mówimy o rozdzielczości urządzenia rastrowego, a nie o roz­
dzielczości obrazu.

3