Elementy grafiki komputerowej

Grafika komputerowa - dział informatyki zajmujący

się wykorzystaniem komputerów do generowania

obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych

Wikipedia

Grafika komputerowa jest obecnie narzędziem powszechnie

stosowanym w nauce, technice, kulturze oraz rozrywce

kładowe zastosowania grafiki komputerowej:

• kartografia

• wizualizacja danych pomiarowych

• wizualizacja symulacji komputerowych

• diagnostyka medyczna

• projektowanie wspomagane komputerowo (CAD)

• przygotowanie publikacji (DTP)

• efekty specjalne w filmach

• gry komputerowe

Podział ze względu na technikę tworzenia obrazu:

• grafika wektorowa

obraz rysowany jest za pomocą odcinków i łuków (plotery kreślące,

specjalne monitory CRT)

• grafika rastrowa

obraz budowany jest z siatki blisko siebie leŜących punktów (pikseli)

Podział ze względu na sposób reprezentacji danych w programach

komputerowych:

• grafika wektorowa

obraz składa się z figur geometrycznych, które zakodowane są w postaci

parametrycznej

zaletą tej reprezentacji jest moŜliwość dowolnego powiększania obrazów,

bez utraty ich jakości

• grafika rastrowa

do zapamiętania obrazu rastrowego potrzebna jest dwuwymiarowa tablica

pikseli tzw. bitmapa (mapa bitowa)

Podział ze względu na charakter danych:

• grafika dwuwymiarowa (grafika 2D)

wszystkie obiekty składające się na obraz są płaskie

• grafika trojwymiarowa (grafika 3D)

obiekty są umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej, a celem programu

komputerowego jest przedstawienie trójwymiarowego świata (tzw. sceny)

na dwuwymiarowym obrazie (np. ekranie monitora)

Podział ze względu na cykl generacji obrazu:

• grafika nieinterakcyjna

program wczytuje uprzednio przygotowane dane i na ich podstawie tworzy

wynikowy obraz

• grafika interakcyjna

program na bieŜąco uaktualnia obraz w zaleŜności od działań uŜytkownika, dzięki

temu uŜytkownik moŜe od razu ocenić skutki swoich działań (niezbędny jest

krótki czas odświeŜania obrazu)

• grafika czasu rzeczywistego

program musi bardzo szybko (kilkadziesiąt razy na sekundę) regenerować obraz,

aby wszelkie zmiany były natychmiast uwidocznione (np. symulatory lotu,

gry komputerowe)

Światło widzialne — promieniowanie elektromagnetyczne rejestrowane przez oko

Zakres długości fal światła widzialnego

od ok. 380nm (fiolet) do ok. 700nm (czerwień)

Oko budowa

Gałka oczna średnica: 16 mm (noworodek), 24 mm (dorosły człowiek)

Twardówka biała i nieprzeźroczysta, grubość 0,5-1,0 mm

Rogówka przeźroczysta część twardówki

Siatkówka receptory (czopki i pręciki)

Plamka Ŝółta składa się tylko z czopków, średnica 2-3 mm

Soczewka ogniskowa 19-23 mm, n=1,41

Tęczówka pełni rolę przysłony

Ciało szkliste n=1,33

Oko - percepcja obrazu

Obraz powstaje na siatkowce

Percepcja obrazu następuje dzięki receptorom dwóch rodzajów:

• czopki są odpowiedzialne za widzenie dzienne (6 mln)

czopki pozwalają na rejestracją wraŜeń barwnych i rozróŜnianie odcieni

barwnych - do pobudzenia wymagają duŜej ilości światła

• pręciki są odpowiedzialne za widzenie nocne (120 mln)

pręciki pozwalają na rejestrację tylko odcieni szarości - do pobudzenia

wystarczy im wielokrotnie mniej światła w porównaniu z czopkami

Czopki i pręciki zostały odkryte przez Maxa Schultza w 1866 roku

Akomodacja oka - proces przystosowania się oka do

uzyskania najlepszego odbioru obrazu polegający na:

• zmianie ułoŜenia gałki ocznej tak, by obraz

padał na najczulszy obszar oka (plamkę Ŝółtą)

• regulacji ostrości (zmiana krzywizny soczewki,

zmiana otworu źrenicy)

Barwa - wraŜenie wzrokowe wywołane

w mózgu przez promieniowanie (światło)

padające na receptory oka

Termin barwa uŜywany jest w kolorymetrii, technice świetlnej i grafice komputerowej

Nie zaleca się stosowania w tej roli terminu kolor

Odcień barwy (ton, walor)

WraŜenie związane z konkretną długością fali

Nasycenie

„mieszanie” z barwą białą (skala od 0 do 100 %)

Jasność (luminancja)

WraŜenie związane z wielkością strumienia

świetlnego (skala umowna od 0 do 1)

Biel, czerń oraz wszystkie barwy występujące między nimi nazywane są barwami achromatycznymi. Są one w pełni nienasycone.

Wszystkie pozostałe barwy (o nasyceniu większym od zera) to barwy chromatyczne.

Mieszanie addytywne jest mieszaniem świateł

(mieszaniem promieniowania)

Jeśli do oka wpadają dwa rodzaje promieniowania o

róŜnych odcieniach, to wraŜenie sumaryczne jest

wypadkową obu składników

Przykładem takiego mieszania jest oświetlenie sceny

teatralnej reflektorami z róŜnymi filtrami

Wypadkowa mieszania addytywnego dąŜy do bieli

Mieszanie subtraktywne jest mieszaniem farb

Farba jest substancją pochłaniającą składowe

promieniowania o określonej długości fali.

Np. farba niebieska pochłania wszystkie składowe oprócz

niebieskiej. Jeśli oświetlimy niebieską powierzchnię

światłem białym, to odbije ona tylko promieniowanie

niebieskie i taką barwę postrzegamy

Wypadkowa mieszania subtraktywnego dąŜy do czerni

Barwy dopełniające to dwie takie barwy, których mieszanie addytywne daje biel, a subtraktywne czerń

ZałoŜenie: wraŜenia barwne są odbierane w oku przez trzy rodzaje

niezaleŜnych receptorów (tzw. teoria trójpobudzenia), kaŜdy

związany z inną długością fali:

• czopki „niebieskie” 437 nm

• czopki „zielone” 533 nm

• czopki „czerwone” 564 nm

WraŜenie barwne jest wynikiem mieszania barw składowych

Percepcja barw przez człowieka

Percepcja barw - złoŜony proces, w którym biorą udział nie tylko

receptory siatkówki ale takŜe mózg

Na odbiór wraŜeń wzrokowych mają takŜe wpływ:

- pamięć

- zdobyte doświadczenie

- czynniki kulturowe

Percepcja barw jest procesem subiektywnym, tzn.

- kaŜdy człowiek postrzega barwy w inny sposób

- mogą wystąpić minimalne róŜnice w odbiorze między okiem

prawym i lewym

Procesy niezbędne do tego aby postrzegać barwy:

• emisja światła (proces fizyczny)

Elementy grafiki komputerowej

• pobudzenie receptora siatkowki (proces fizjologiczny)

• wytworzenia wraŜenia wzrokowego (proces psychofizyczny)

Prawa Grassmana

• Zasada trojchromatyczności

KaŜdą dowolną barwę moŜna przedstawić za pomocą trzech składowych - barw

podstawowych

•

Elementy grafiki komputerowej

Zasada ciągłości

Jeśli mamy do czynienia z mieszaniną dwóch barw, to ciągła zmiana jednej składowej

powoduje ciągłą zmianę mieszaniny

• Zasada addytywności

Barwa mieszaniny nie zaleŜy od jej składu widmowego tylko od barw składników

Sprzęt dla potrzeb grafiki komputerowej

• urządzenia wyjściowe

• urządzenia wejściowe

Urządzenia wyjściowe

• Monitor CRT (Cathode Ray Tube) - budowa kineskopu

• Monitor CRT (Cathode Ray Tube) - budowa masek

• Monitor LCD (Liquid Cristal Display)

Fakty, na ktorych oparta jest budowa i funkcjonowanie LCD

- światło ulega polaryzacji

- ciekły kryształ przepuszcza światło ale moŜe zmienić płaszczyznę

polaryzacji światła

- struktura ciekłego kryształu ulega zmianie pod wpływem pola elektrycznego

- istnieją przeźroczyste materiały przewodzące elektryczność

• Monitory CRT i LCD - tryby wyświetlania kolorów (barw)

Głębokość bitowa - liczba bitow uŜywanych do opisu koloru pojedynczego piksela

Urządzenia do tworzenia trwałych kopii obrazów

Drukarki i tzw. urządzenia wielofunkcyjne

* drukarka atramentowa

* drukarka laserowa

* urządzenie wielo funkcyjne

• Urządzenia do tworzenia trwałych kopii obrazów

Plotery

Ploter bębnowy atramentowy

• Urządzenia do tworzenia trwałych kopii obrazów

Nagrywarki dysków optycznych

„Czerwony laser”: 650 nm, 635 nm

CD - Compact Disc 650, 700 MB

Elementy grafiki komputerowej

DVD - Digital Versatile Disc 4,7 i 8,5 GB (zapis jedno i dwuwarstwowy)

17,08 GB (zapis dwuwarstwowy dwustronny)

„Niebieski laser”: 405 nm

Blu-ray Disc 25 GB (zapis jednowarstwowy)

50 GB (zapis dwuwarstwowy)

100 GB (zapis czterowarstwowy)

200 GB (zapis ośmiowarstwowy)

• Procesor graficzny

Schemat przepływu danych

procesor (płyta głowna) -> karta graficzna -> monitor

• Procesor graficzny - funkcje

_ obliczenia geometryczne

tworzenie matematycznego opisu sceny dwu- lub trojwymiarowej

(opis obiektow sceny przy pomocy wielokątow - najczęściej trojkątow)

_ potoki wykonawcze

Pixel Shader odpowiedzialny za przetwarzanie pikseli

Elementy grafiki komputerowej

Vertex Shader odpowiedzialny za przetwarzanie wielokątow

wspołczesne procesory grafiki to jednostki 4, 8, 12 lub 16 potokowe

_ rendering

proces określania koloru i połoŜenia kaŜdego piksela w przestrzeni

_ teksturowanie

nakładanie na względnie proste obiekty 3-wymiarowe obrazow (tzw. tekstur),

ktore przedstawiają brakujące szczegóły

Urządzenia wejściowe

_ klawiatura

_ urządzenia wskazujące

- mysz

- tablet graficzny

Elementy grafiki komputerowej

- ekran dotykowy

- manipulator

_ urządzenia wprowadzające obraz

- skaner 2D i 3D

- aparat cyfrowy (obraz statyczny, obraz ruchomy)

- kamera cyfrowa (obraz ruchomy)

---