Obraz grafiki rastrowej jest plikiem reprezentującym pionowo-poziomą siatkę odpowiednio kolorowanych pikseli na monitorze komputera, drukarce lub innym urządzeniu wyjściowym.
Kolor każdego piksela jest definiowany osobno. Obrazki z głębią kolorów RGB często składają się z kolorowych pikseli zdefiniowanych przez trzy bajty - jeden bajt na kolor czerwony, jeden na zielony i jeden na kolor niebieski.
Mniej kolorowe obrazki potrzebują mniej informacji na piksel, np. obrazek w kolorach czarnym i białym wymaga tylko jednego bitu na każdy piksel.
Grafika wektorowa (obiektowa) - jeden z dwóch podstawowych rodzajów grafiki komputerowej, w której obraz opisany jest za pomocą figur geometrycznych.
Obrazy wektorowe można łatwo przetwarzać w ich odpowiedniki rastrowe podając jedynie docelową rozdzielczość obrazu rastrowego
Operacja konwersji w przeciwną stronę, tzw. wektoryzacja lub trasowanie, jest trudna i niejednokrotnie nie daje spodziewanych wyników. Głównym problemem jest tzw. wyszukiwanie krawędzi, które często nie jest oczywiste.
GRAFIKA FOTOREALISTYCZNA I CZASU RZECZYWISTEGO
wykorzystywana w grach komputerowych i systemach czasu rzeczywistego
niewielka złożoność obrazu
uproszczone tekstury
prymitywny model oświetlenia
szybkie, sprzętowo wspomagane algorytmy renderowania
długi czas generowania obrazu
zaawansowane algorytmy odwzorowania oświetlenia
złożone modele, odwzorowanie szczegółów i detali
wykorzystywana w wysokiej klasy wizualizacjach
podstawa współczesnych efektów specjalnych w filmie
Obszar zainteresowań współczesnej grafiki komputerowej:
prezentacja danych w postaci różnego rodzaju wykresów
animacja na potrzeby filmów rysunkowych i gier komputerowych
oprogramowanie interakcyjne przy realizacji systemów okien
prace edytorskie
prezentacja wyników złożonych obliczeń i eksperymentów naukowych
medycyna
systemy projektowania
produkcja reklam
przemysł rozrywkowy
tworzenie złożonych systemów czasu rzeczywistego na potrzeby symulatorów lotu
symulacja sztucznej rzeczywistości - okulary stereoskopowe, czujniki umożliwiające interaktywną pracę z systemem
Zagadnienia grafiki komputerowej:
Percepcja obrazów przez człowieka. Metody algorytmiczne oraz rozwiązania sprzętowe muszą uwzględniać możliwości percepcji wzrokowej człowieka w aspekcie budowy i działania oka, jak i psychofizycznej interpretacji informacji przez wyższe warstwy systemu wzrokowego.
Barwa. Modele barw stosowane w grafice komputerowej oraz zasady wykonywania podstawowych operacji dotyczących wyznaczania barwy piksela.
Algorytmy tworzenia sceny. Algorytmy rastrowe, podstawowe przekształcenia geometryczne na płaszczyźnie i w przestrzeni. Reprezentacja obiektów graficznych, modelowanie krzywych i powierzchni. Algorytmy wyznaczania linii i powierzchni zasłoniętych.
Modele oświetlenia. Jednym z podstawowych elementów definiującym scenę trójwymiarową jest określenie warunków oświetlenia oraz właściwości powierzchni oświetlanych obiektów.
Wizualizacja. Metody wizualizacji sceny przy wielokątowej reprezentacji obiektów, metoda śledzenia promieni i metoda energetyczna. Pokrywanie powierzchni teksturą - wzorem wyznaczonym analitycznie, pochodzącym ze zdjęcia lub wyznaczonym w inny sposób.
Obrazy stereoskopowe. Widzenie stereoskopowe, zasady tworzenia obrazów stereoskopowych, techniczne metody obserwacji takich obrazów.
Animacja. Sięganie do metod modelowania z innych dziedzin (fizyka, mechanika, biologia, itd.). Automatyzacja procesu generowania sekwencji animowanych.
Sprzęt dla potrzeb grafiki komputerowej. Architektura sprzętu obliczeniowego dla potrzeb grafiki. Specjalizowane układy scalone VLSI: procesory graficzne, specjalizowane pamięci oraz przetworniki cyfrowo-analogowe. Zasady budowy kart graficznych oraz charakterystyka stacji graficznych - urządzeń projektowanych specjalnie do zastosowań graficznych.
Reprezentacja i struktury danych. Modelowanie geometryczne, reprezentowanie obiektów geometrycznych i struktury danych stosowane w systemach graficznych.
Biblioteki graficzne. Biblioteki procedur o różnym poziomie złożoności - ważne dla programistów zajmujących się zastosowaniami z zakresu grafiki.
Kompresja i standardy. Metody kompresji obrazów i sekwencji video. Standardy obowiązujące i przyjęte de facto (praktyka wyprzedza prace standaryzacyjne).
Chronologicznie pierwszym i wciąż jeszcze najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem wyświetlającym jest lampa elektronopromieniowa CRT.
Spośród wszystkich typów wyświetlaczy najbardziej nadaje się do wyświetlania obrazów barwnych.
Osiągane rozdzielczości dochodzą do 4096x3300 dla obrazów czarno-białych oraz do 2048x2048 dla obrazów kolorowych.
Najprostszy sposób sterowania stosowany jest w lampach wektorowych, w których obraz składa się wyłącznie z odcinków kreślonych plamką o stałej jasności. Możliwe są do uzyskania rozdzielczości 8000x8000 punktów.
Wyświetlenie odcinka polega na:
- ustawieniu zespołów odchylających tak, aby położenie plamki odpowiadało początkowi odcinka,
- włączeniu prądu w obwodzie anodowym,
- zmianie sterowania zespołami odchylającymi w sposób zapewniający liniowe przesuwanie się plamki, aż do osiągnięcia punktu końcowego odcinka,
- wyłączeniu prądu w obwodzie anodowym.
Częstotliwość odnawiania zależy od złożoności obrazu (ilość odcinków). Przy zbyt małej częstotliwości odnawiania pojawia się migotanie obrazu. Częstotliwość zaniku migotania CFF zależy od warunków obserwacji, przyjmuje się że jest to wartość nie mniejsza niż 20Hz.
W najszybszych systemach można w ten sposób wyświetlić ponad 100 000 odcinków.
Wyświetlanie obrazu rastrowego wiąże się z systematycznym przemiataniem wiązką elektronową kolejnych linii ekranu. Po zakończeniu wyświetlania każdej linii plamka jest wygaszana na czas potrzebny do przejścia do linii następnej (powrót poziomy). Po wyświetleniu ostatniej linii plamka jest przesuwana do pierwszej linii (powrót pionowy). Częstotliwość odnawiania ekranu nie zależy od stopnia złożoności ekranu.
Oprócz przeglądania kolejnych linii rastra, możliwe jest wybieranie międzyliniowe. Obraz zestawiany jest z linii parzystych i nieparzystych wyświetlanych w osobnych przebiegach.
Produkowane obecnie monitory potrafią automatycznie dostosowywać impulsy synchronizacji do wyświetlanych rozdzielczości ekranu.
W monitorach mogących wyświetlać rozdzielczości 1280x1024 pikseli częstotliwość odchylania pionowego wynosi 72Hz, a poziomego 64kHz.
Częstotliwośc przełączania pikseli wynosi, w tym przypadku ok. 100MHz.
W wyświetlaczu monochromatycznym barwa obrazu zależy od zastosowanego luminoforu. Najczęściej stosuje się materiały emitujące światło zielone, bursztynowe i zbliżone do białego. Zakres zmian jasności plamki zależy od reprezentacji pikseli w pamięci i dochodzi do 4096 (zdjęcia rengenowskie).
Wielkość ekranu określana jest przez podanie długości przekątnej ekranu podawanej w calach. Stosunek długości boków ekranu wynosi zazwyczaj 4:3, a w zastosowaniach specjalnych (np. poligraficznych) 1:1 i 3:4.
Płaski ekran eliminuje wpływ odbić, zwiększa także różnice odległości punktów ekranu od zespołu ogniskującego.
Spłaszczenie ekranu wymaga dynamicznej korekcji ogniskowania lub zmian powodujących wydłużenie krzywizny ekranu bez zmiany długości lampy.
Wyświetlanie obrazów kolorowych wymaga zastosowania luminoforów emitujących światło o różnych długościach fali. Mieszanie emitowanego światła ma charakter addytywny, a jako podstawowe zostały wybrane barwy: czerwona (R), zielona (G), i niebieska (B).
W lampach penetracyjnych luminofory są nałożone na całej powierzchni ekranu. Dotarcie do głębszej warstwy wymaga większej energii wiązki.
Znacznie powszechniejszą metodą jest nakładanie luminoforu w postaci regularnie rozmieszczonych obszarów. Aby właściwie pobudzić ekran należy zastosować trzy wiązki elektronów - oddzielnie dla każdej z barw składowych.
- Technologia delta: wyrzutnie elektronów umieszczone są w wierzchołkach trójkąta, a luminofor nanoszony jest w postaci kropek tworzących triady.
- Technologia IL (In-Line): wiązki usytuowane są w jednej linii, a luminofor nanoszony jest w postaci pionowych pasków. Taka konstrukcja zapewnia lepszą zbieżność wiązek.
Rozdzielenie barw osiąga się dzięki zastosowaniu tzw. maski, czyli cienkiej blachy stalowej z precyzyjnie wywierconymi otworami. Maska jest umieszczona blisko powierzchni luminoforu, w taki sposób aby każda wiązka pobudzała wyłącznie luminofor jednej barwy. Odległość pomiędzy sąsiednimi obszarami jednego rodzaju określa rozdzielczość wyświetlacza i sięga 0,21mm.
Najpoważniejszą konkurencję dla monitorów CRT stanowią wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD).
Ciekłe kryształy - to nazwa grupy substancji, których właściwości nie odpowiadają żadnemu ze znanych stanów skupienia. Cząstki podlegają samoistnemu uporządkowaniu - podobnie jak w kryształach, natomiast konsystencją przypominają, na ogół, ciecz.
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne są płaskie (nie występują problemy krzywizny ekranu), tanie, lekkie i pobierają niewiele energii. Wadami tych urządzeń były do niedawna niski kontrast i jasność, ograniczona rozdzielczość i kąt obserwacji.
W najprostszym przypadku wyświetlacz LCD jest zbudowany z dwóch przezroczystych polaryzatorów z naniesionymi elektrodami, oddzielonych warstwą ciekłego kryształu. Specjalna mikroobróbka sprawia, że najdogodniejszym, energetycznie, ułożeniem cząstek w krysztale jest struktura taśmy skręconej pod kątem 90 stopni.
W takim stanie kryształ jest optycznie czynny, tzn. powoduje zmianę polaryzacji światła.
Najnowsza technologia LCD polega na wyposażeniu matrycy wyświetlacza w elementy aktywne (klucz tranzystorowy wykonany w technologii cienkowarstwowej TFT). Umożliwia to wyposażenie wyświetlacza w integralną pamięć obrazu i sterowanie matrycy słabszymi sygnałami, co prowadzi do zmniejszenia przesłuchów. Osiągany kontrast sięga 80:1, a kąt obserwacji ±70 stopni.
Technologie STN i TFT umożliwiają uzyskiwanie obrazów barwnych. Wymaga to zwiększenia ilości komórek matrycy (na obszarze 1 piksela wykonuje się trzy komórki). Barwy podstawowe uzyskuje się poprzez wykorzystanie odpowiednich filtrów i podświetlanie ekranu.
W większości wyświetlaczy LCD sterowanie jasnością piksela jest dwuwartościowe. W celu uzyskania większej liczby poziomów jasności należy sterować wypełnianiem przebiegów sterujących, polegające na zmianie proporcji czasu, w którym piksel jest włączony i wyłączony.
Szczególnym zastosowaniem wyświetlaczy LCD, są urządzenia projekcyjne. Wyświetlacz stanowi, w takim przypadku, przeźrocze o programowalnej zawartości.
Wyświetlacze plazmowe wykorzystują promieniowanie wydzielane przez atomy gazu wzbudzone pod wpływem pola elektrycznego. Wyświetlacze tego typu (PDP) emitują światło (nie wymagają podświetlenia). Obraz jest jasny, stabilny i wolny od zniekształceń, a kąt obserwacji wynosi około 140 stopni. Wyświetlacz jest lekki, płaski, odporny na wstrząsy i wibracje, zasadniczą jego wadą jest duże zapotrzebowanie energetyczne. W niektórych zastosowaniach istotne jest to, że wyświetlacz plazmowy może być przeźroczysty.
Wrażenie wzrokowe człowieka obserwującego obiekt zależy od warunków obserwacji, od otoczenia obiektu, oświetlenia, widoczności.
Wrażenie związane z odbiorem barwy zależy również od indywidualnych cech obserwatora, jego sposobu percepcji i interpretacji. Ze względu na subiektywność i mnogość czynników mających wpływ na percepcję barwy trudno jest opracować precyzyjny model barwy na potrzeby grafiki komputerowej.
Przy zmniejszeniu nasycenia barwy do zera, niezależnie od odcienia barwy, uzyskuje się barwę białą.
Przy zmniejszeniu jasności barwy do zera, niezależnie od odcienia barwy, uzyskuje się barwę czarną.