Wykład

Grafika wektorowa, grafika rastrowa

Grafika wektorowa, grafika rastrowa

Grafika wektorowa: sposób opisu obrazu oparty na formułach
matematycznych. Zachowuje informacje o tworzących kształty obiektów
liniach i krzywych.
- stała jakość obrazu niezależnie od tego, w jakiej skali zostanie on

wyświetlony;

- mniejsza w porównaniu z formatami zapisu rastrowego (JPG, BMP,

GIF) wielkość plików zarówno w przypadku statycznych obrazów jak i
animowanych;

- większa kontrola nad kształtem i położeniem modelowanych obiektów;
- możliwość modyfikacji poszczególnych obiektów obrazu niezależnie

od pozostałych.

Programy do tworzenia grafiki wektorowej:
- Adobe Ilustrator
- Corel Draw
- Deneba Canvas
- Creature House Expresion
- Macromedia Freehand
- Xara
- Micrograf Designer

Formaty zapisu grafiki wektorowej:
- EPS (Encapsulated Postscript)
- WFM (Windows Metafile)
- CDR (Corel Draw)
- DRW (Micrograf Designer)
- DXF (programy CAD)
- HPGL (plotery)

Urządzenia grafiki wektorowej: (plotery, grafoskopy, monitory

wektorowe)

- urządzenia realizujące grafikę wektorową wykorzystują 3 i 4 klasę

danych obrazowych;

- rozkazy elementarne:

p(x,y) - ustaw plamkę świetlną (rysującą) w punkcie (x,y)
s(z)

– ustaw jasność (kolor) zgodnie z wartością z

- sekwencja rozkazów S odpowiada za wyświetlenie (narysowanie)

pojedynczego obiektu;

- program sterujący wyświetlaniem obrazu na lampie CRT:

start:

S1, S2, . . . , Sn

- sekwencje rozkazów

S1

S2

.

.

.

Sn

if brak przerwania then go to start

else zmień sekwencję

go to start

end.

Aby zmodyfikować obraz należy zmienić odpowiednią sekwencję.
Zmiana obrazu sygnalizowana jest poprzez przerwanie. Wykonanie
pojedynczej pętli odpowiada za odnowienie (odświeżenie) zawartości
ekranu. Częstotliwość odświeżania jest odwrotnie proporcjonalna do
długości pętli. Jeżeli czas wykonania pętli jest dłuższy od czasu
fluorescencji (poświaty) ekranu to występuje zjawisko migotania i
rozmycia ekranu. Stąd istnieje górna granica długości pętli a tym samym
złożoności wyświetlanego obrazu.
- czas fluorescencji: 0.02 - 0.05 sek
- częstotliwość odświeżania: 20 – 50 razy/sek.
- rozdzielczość 4096x4096
- zobrazowanie monochromatyczne o poświacie białej, zielonej lub

czerwonej;

- lampy pamięciowe: brak ograniczeń na złożoność wyświetlanego

obrazu.

Generowanie obrazów kolorowych

na monitorze wektorowym

Poprzez zmianę energii strumienia elektronów regulowana jest głębokość
przenikania luminoforu. W różnym stopniu pobudzane są do świecenia
warstwy luminoforu odpowiadające za emisję światła zielonego (G) i
czerwonego (R). W wyniku mieszania nasycenia i barwy świecenia
dwóch warstw można uzyskać 4 dobrze rozróżnialne kolory: czerwony,
pomarańczowy, żółty i zielony.

R G

Strumień elektronów

Luminofor

zielony

żółty

pomarańczowy

czerwony

Monitory z lampą pamięciową

Rys. Schemat budowy lampy pamięciowej

- nie są narażone na migotanie i rozmycie złożonych obrazów;
- informacje o obrazie przechowuje się w samej lampie;
- konwencjonalna wyrzutnia elektronów zapisuje obraz nie bezpośrednio

na luminoforze ekranu, ale na powierzchni pamięciowej utworzonej z
materiału dielektrycznego naniesionego na metalową siatkę (siatka
powierzchni pamiętającej). Następuje to poprzez zmianę potencjału
powierzchni pamięciowej.

- dodatkowa wyrzutnia elektronów emituje rozproszony strumień

elektronów o małej energii pokrywający cały ekran. Strumień ten
ukierunkowany jest prostopadle do ekranu i przechodzi tylko przez te
oczka powierzchni pamięciowej, w których zmieniono potencjał -
pobudzając w tych miejscach luminofor do świecenia.

- niemożność

dokonywania

modyfikacji

wyświetlonego

obrazu.

Dodawanie nowych elementów jest możliwe, natomiast usuwanie
nawet pojedynczego elementu wymaga wygaszenia całego ekranu
przez odprowadzenie potencjału z oczek siatki pamięciowej i
narysowanie na niej od początku zmodyfikowanego rysunku.

- urządzenia takie umożliwiają tworzenie bardzo złożonych statycznych

rysunków, nie nadają się do pracy interakcyjnej.

Konwencjonalna

wyrzutnia

elektronów

Warstwa luminoforu

(ekran)

Siatka powierzchni

pamięciowej

Kolektor

Wyrzutnia wolnych
elektronów

Grafika rastrowa (grafika bitmapowa): obrazy tworzone są z
położonych regularnie obok siebie pikseli. W pikselach zawarta jest
informacja o kolorze lub o jasności (obrazy monochromatyczne) danego
punktu obrazu. Tworzone w ten sposób obrazy nazywane są mapami
bitowymi.

Mapa bitowa (ang. bit map): sposób zapamiętania obrazu przy
wykorzystaniu pikseli ułożonych w rzędy i kolumny. Każdy piksel jest
opisany za pomocą określonej liczby bitów. Najczęściej wykorzystywane
są mapy:
- 1-bitowe: obrazy biało-czarne;
- 8-bitowe: możliwość uzyskania 256 kolorów lub odcieni szarości;
- 16-bitowe: 65 536 kolorów
- 24-bitowe: True Color (16 777 216 kolorów)

Rozdzielczość obrazu rastrowego:
- rozdzielczość liniowa: liczba pikseli przypadająca na jednostkę

powierzchni;

- rozdzielczość w przestrzeni kolorów: liczba bitów opisująca

pojedynczy piksel;

Im wyższa jest rozdzielczość obrazu, tym większy jest jego plik.
Wielkość pliku opisującego obraz można wyznaczyć z zależności:

W = K * L * P

gdzie:
- W – wielkość pliku wyrażona w bajtach
- K - liczba pikseli w pionie;
- L - liczba pikseli w poziomie;
- P - liczba bajtów opisująca piksel

Przetwarzanie map bitowych wymaga odpowiedniej ilości pamięci RAM
w komputerze. Przy powiększaniu mapy bitowej występuje efekt
powiększenia piksela. Objawia się to widocznymi na ekranie monitora
lub wydruku efektami schodkowymi – występuje utrata ostrości obrazu.
Inną wadą obrazów rastrowych jest brak możliwości operowania na
fragmentach obrazu.

Programy do edycji i przetwarzania map bitowych (do retuszu i
obróbki zdjęć): umożliwiają tworzenie rysunków od podstaw lub
modyfikację już istniejących, powstałych w wyniku skanowania
gotowych rysunków lub zdjęć bądź też wprowadzanych z urządzeń
cyfrowych (aparaty cyfrowe, urządzenia do akwizycji obrazu).
- Photoshop
- Corel PhotoPaint
- Picture Publisher

Formaty zapisu grafiki rastrowej:
- BMP
- JPEG
- GIF
- TIFF

Urządzenia grafiki rastrowej: (drukarki, skanery, monitory rastrowe)
- urządzenia realizujące grafikę rastrową wykorzystują 1 i 2 klasę

danych obrazowych;

- urządzenia posiadają integralną pamięć (pamięć graficzna, pamięć

ekranu);

- pojedyncza komórka pamięci przechowuje atrybuty pojedynczego

adresowalnego punktu obrazu;

- rozkazy elementarne:

read(I,x,y,z) – czytaj komórkę pamięci I o adresie (x,y) oraz określ z
na podstawie zawartości I;
write(x,y,z) – pisz w punkcie o współrzędnych (x,y) wartość
jasności

(koloru) określoną przez z.

- program sterujący wyświetlaniem (drukowaniem) obrazu:

start:

for I:=1 to ilość pikseli do

begin
read(I,x,y,z);
write(x,y,z);
end;

go to start;

end.

Pojęcia związane z urządzeniami grafiki rastrowej:
- częstotliwość odświeżania (odczytu pamięci ekranu): 50-100 Hz;
- pasmo przenoszenia sygnału wizji VBW (ang. Video Band Width);
- synchronizacja pionowa i pozioma VSYNC, HSYNC;
- pamięć graficzna, pamięć ekranu (obrazu);
- stronicowanie pamięci graficznej;
- system okien, atrybuty okna;
- rozkazy graficzne.

Grupy zasadniczych parametrów kart graficznych

1. Ogólne właściwości funkcjonalne:

a. rozdzielczość zobrazowania:

- rozdzielczość liniowa
- rozdzielczość w przestrzeni kolorów

b. dostępna paleta barw;
c. ilość dostępnych stron obrazowych;
d. szybkość tworzenia obrazów w pamięci graficznej.

2. Współpraca z urządzeniem zobrazowującym:

a. pasmo przenoszenia sygnału wizji;
b. częstotliwość odświeżania obrazu;
c. sposób wyświetlania obrazu:

- kolejnoliniowe
- międzyliniowe (ang. interlace)

d. częstotliwość synchronizacji linii;
e. standard elektryczny sygnałów wizji:

- RGB TTL
- RGB Analog

f. standard elektryczny sygnałów synchronizacji:

- Separate Sync.
- Composite Sync.
- Sync. On Green

g. standard mechaniczny połączenia karty z monitorem:

- złącza DB (D-SUB):

DB 9, DB 15, MINI DB 15

- złącza BNC:

5 x BNC (R, G, B, H, V)

4 x BNC (R, G, B, CS)

3 x BNC (R, Sync on Green, B)

3. Środowisko sprzętowo-programowe

a. zgodność z magistralą komputerów określonej klasy;
b. sposób wykorzystania przerwań programowych i sprzętowych;
c. przestrzeń adresowa portów WE/WY;
d. wielkość i przestrzeń adresowa pamięci: pamięć graficzna,

pamięć Video-Biosu, pamięć operacyjna

e. dostępność kompilatorów i bibliotek programowych

wykorzystujących w pełni właściwości karty.

Przykład: złącza DB (D-SUB)

Złącze MINI DB 15 (HIGHDENSITY D-SUB 15)

Karty graficzne:

VGA (Video Graphics Adapter)

SVGA (Super Video Graphics Adapter)

TIGA (Texas Instruments Graphics Adapter)

Sygnał wizji: analogowy (75 ohm, 0.7 Vp-p)

Sygnały synchronizacji:

TTL

(od strony karty graficznej 15 PIN FEMALE)

(od strony kabla do monitora 15 PIN MALE)

Pin

Nazwa sygnału

Dir

Opis

1

RED

Red Video

2

GREEN

Green Video

3

BLUE

Blue Video

4

ID2

Monitor ID Bit 2

5

GND

Ground

6

RGND

Red Ground

7

GGND

Green Ground

8

BGND

Blue Ground

9

NC

-

10

SGND

Sync Ground

11

ID0

Monitor ID Bit 0

12

ID1

Monitor ID Bit 1

13

HSYNC/CSYNC

Horizontal Sync/Composite Sync

14

VSYNC

Vertical Sync

15

ID3

Monitor ID Bit 3

Złącze DB 9 (D-SUB 9)

Karty graficzne:

EGA, EGA-High (Enhanced Graphics Adapter)

Sygnał wizji: TTL, 16/64 kolory

Sygnały synchronizacji:

TTL

(od strony karty graficznej 9 PIN FEMALE)

(od strony kabla do monitora 9 PIN MALE)

Pin

Nazwa sygnału

Dir

Opis

1

GND

Ground

2

SECONDARY RED

Red Video bit 1

3

PRIMARY RED

Red Video bit 0

4

PRIMARY GREEN

Green Video bit 0

5

PRIMARY BLUE

Blue Video bit 0

6

SECONDARY GREEN/
INTENSITY

Green video bit 1/intensywność

7

SECONDARY BLUE

Blue Red Video bit 1

8

HSYNC

Horizontal Sync

9

VSYNC

Vertical Sync

Przykład: złącza BNC (złącza koncentryczne)

TYP

OPIS

3 x BNC

1. RED
2. SYNC on GREEN
3. BLUE

4 x BNC

1. RED
2. GREEN
3. BLUE
4. COMPOSITE SYNC

4 x BNC

1. RED
2. GREEN
3. BLUE
4. HORIZONTAL SYNC
5. VERTICAL SYNC

adapter

3 x BNC do HD DB15

adapter

4 x BNC do HD DB15

adapter

5 x BNC do HD DB15

Różnice między grafiką wektorową a grafiką rastrową: są szczególnie
widoczne podczas skalowania (zmiany rozmiaru) rysunku lub obiektu.

Przykład: powiększenie rysunku

Literka "a" po powiększeniu o 700% w rysunku rastrowym i wektorowym

grafika rastrowa

grafika wektorowa

Wektorowa literka "a" nie straciła nic ze swojej jakości.

Utrata jakości w rysunku rastrowym. Rzucające się w oczy duże punkty

oraz postrzępiona linia.

W rysunku rastrowym odcinek jest zapamiętany z określonej liczby
punktów, po powiększeniu punkty stają się duże, a jest ich tyle samo.
W rysunku wektorowym odcinek jest zapamiętywany jako zbiór dwóch
punktów (początkowy i końcowy) o określonych współrzędnych.
Następnie program oblicza pośrednie punkty ze wzoru matematycznego i
wyświetla je na ekranie. Powiększenie odcinka w tym przypadku polega
na obliczeniu nowych współrzędnych dla obu punków i na obliczeniu
punktów pośrednich. Grubość odcinka nie zmienia się.

Przykład: pomniejszenie rysunku

W przypadku rysunku rastrowego są brane pod uwagę punkty leżące
obok siebie i na podstawie ilości czarnych i białych punktów jest
obliczany punkt wynikowy. Tak więc podczas pomniejszania do
rozmiaru 1/10 oryginalnej wielkości branych jest pod uwagę.100
punktów (matryca 10 punktów w pionie i 10 punktów w poziomie). Jeżeli
np. 49 punktów jest czarnych, a 51 punktów jest białych, to zostanie
dobrany punkt biały. Stracimy więc bardzo dużo szczegółów
oryginalnego rysunku. W przypadku grafiki wektorowej są tylko na nowo
obliczane współrzędne obiektów, a dopiero potem jest rysowany obiekt o
identycznej grubości co poprzedni.

grafika rastrowa

grafika wektorowa

Rysunek wektorowy nie uległ pogorszeniu. W przypadku rysunku
rastrowego literka "a" wygląda dobrze dlatego, że oryginalna literka jest
bardzo gruba, więc podczas obliczania, okazuje się, że jest bardzo dużo
czarnych punktów. Znacznie gorzej wygląda elipsa i odcinek, które były
cienkie. Przy pomniejszaniu zostało "zgubionych" wiele punktów.
Powyższe rysunki zostały pomniejszone do 1/3 swoich oryginalnych
rozmiarów, przy znaczniejszym pomniejszeniu nie można by się było w
ogóle zorientować co to za kształt.

Przykład: zdjęcia

Jakość zdjęć rastrowych jest najlepsza gdy są w oryginalnych
rozmiarach. Po skalowaniu tracą na jakości, nie można rozróżnić
szczegółów.

grafika rastrowa grafika wektorowa

Rysunek został utworzony

z 6254 obiektów

W grafice wektorowej nie można przedstawić zdjęcia, gdyż takich nie
można zrobić. W technice wektorowej wszystko musi być narysowane
przy użyciu takich obiektów jak okrąg, odcinek, kwadrat, wielobok itp.
Przy dużych nakładach pracy można stworzyć rysunki, do złudzenia
przypominające rzeczywistość

Zasada tworzenia rysunku na monitorze:

a) wektorowym

b) rastrowym

Przebiegi czasowe sygnałów synchronizacji pionowej i poziomej

a) Separate Sync.

HORIZONTAL

VERTICAL

Sync. Polarity: Positive/Negative

b) Composite Sync.

HORIZONTAL

VERTICAL

Sync. Polarity: Positive/Negative

c) Sync. On Green.

HORIZONTAL

VERTICAL

Sync. Polarity: Negative 0.3 Vp-p

Video:

Positive 0.7 Vp-p