Цвет в компьютерной графике. Колориметрия. Основные цветовые моде

Удаление скрытых линий и поверхностей в компьютерной графике. Алгоритм Аппеля.

При формировании алгоритмов удаления возможны 2-а подхода:

1. Работа ведется в проекционной плоскости, с определением того, какой объект окажется

ближним к этой плоскости вдоль направления проецирования, а какой дальше.

2. Работа ведется в 3-х мерном пространстве объекта с постоянным изменением места

наблюдателя, и заключается в постоянном переборе пар объектов на закрывание одного

другим.

Если угол внешней нормали какой-либо грани объекта составляет с вектором направления на картинную плоскость составляет с вектором проецирования острый угол, грань является лицевой и будет видимой на картинной плоскости, если угол является тупым, то грань будет нелицевой на картинной области.
Алгоритм Аппеля
В алгоритме Аппеля вводится понятие количественной невидимости объекта, как числа лицевых граней закрывающих этот объект, объект полностью видим, если КН=0.
В алгоритме вводится понятие контурной линии, которое состоит из совокупности взаимосвязанных ребер, для каждого из которых одна из граней является лицевой, а другая нелицевой.
Алгоритм Аппеля говорит о том, что КН какой-либо геометрической компоненты изменяется на единицу при её прохождении через контурную линию. Контурная линия: ABCIKDELMGA

 

 

 

Удаление скрытых линий и поверхностей в компьютерной графике. Понятие лицевых и не лицевых граней, алгоритм Робертса.

При формировании алгоритмов удаления возможны 2-а подхода:

1. Работа ведется в проекционной плоскости, с определением того, какой объект окажется ближним к этой плоскости вдоль направления проецирования, а какой дальше.

2. Работа ведется в 3-х мерном пространстве объекта с постоянным изменением места наблюдателя, и заключается в постоянном переборе пар объектов на закрывание одного другим.

Если угол внешней нормали какой-либо грани объекта составляет с вектором направления на картинную плоскость составляет с вектором проецирования острый угол, грань является

лицевой и будет видимой на картинной плоскости, если угол является тупым, то грань будет нелицевой на картинной области.

 

Алгоритм Робертса.

Алгоритм требует, чтобы 3D объекты были представлены в виде полигональной сетки. На первом шаге из рассмотрения исключаются все ребра, для которых обе определенные грани являются нелицевыми.

На следующем шаге осуществляется проверка оставшихся ребер объектов на закрывание граней. Возможно 3 варианта:
1) Ни одна грань не закрывает ребро.

 

Разбиение картинной плоскости в месте объединения ребра и грани на определенное число управляющих элементов (прямоугольник). После чего производится анализ каждого из полученных мелких блоков на объединение ребра и грани, с последующим выводом или не выводом попавшего ребра в блок.

 

 

Цвет в компьютерной графике. Колориметрия. Основные цветовые моде

Свет — электромагнитное излучение.
Цвет характеризует действие излучения на глаз человека. Таким образом, лучи света, попадая на сетчатку глаза, производят ощущение цвета.В КГ принято выделять, независимо от модели описания цвета, два типа цветовых моделей: ахроматические и хроматические модели.
Ахроматический цвет описывается только одним параметром – интенсивностью, и очень часто характеризуется отдельным параметром – оконтуривание.
Оконтуривание – это возможность размещения границ при переходе от одного уровня интенсивности к другому.
Хроматический цвет дает визуальные цветовые ощущения и обычно описывается тремя базовыми параметрами:

· Цветовой тон – определяется преобладающей длиной волны в спектре излучения и позволяет отличить один цвет от другого

· Яркость – определяется интенсивностью светового освещения

· Насыщенность – выражается долей присутствия чистого белого цвета в цветовом пигменте

(или чистом цвете)
Колориметрия — наука о цвете и измерении цвета. Это наука, исследующая методы измерения, выражение количества цвета и различий цветов, возникшая в XIX веке.
В основу большинства цветовых моделей КГ положены законы науки о цвете – Колориметрии.

· Цвет - трехмерен, любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно-независимых совокупностей из трех частей (цветов).
Ц= k1Ц1 + k2Ц2 + k3Ц3

· Если в смеси трех цветовых компонентов один меняется непрерывно, в то время как два других остаются постоянными, цвет смеси также изменяете непрерывно.

· Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонентов и не зависит от того как эти компоненты были получены.

Большинство графических пакетов позволяют оперировать широким кругом цве­товых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая - для особых типов красок. Перечислим их:

• CMY - (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow);

• CMYK - (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow) и черный (blacK);

• RGB -красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue);

• HSB - (Hue - цветовой тон, Saturation - насыщенность, Brightness - яр­кость);

• HLS - (Hue - цветовой тон, lightness - светлота, Brightness - яр­кость).;

• Lab;

• YIQ;

• YCC.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разбить на три класса:

• аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

• субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычита­ния цветов (субтрактивный синтез);

• перцепционные (HSB, HLS, Lab, YCC), базирующиеся на восприятии.

Перед тем как перейти к непосредственному рассмотрению конкретных цветовых моделей, уделим немного внимания общим физическим закономерностям, свой­ственным природе цвета.

Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с помощью устройств, основанных на принципе излучения. В качестве основных цветов берется красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Другие цвета и оттенки могут быть получе­ны смешиванием определенного количества любого из основных цветов.

 

No2 Фрактальная графика. Сущность и математический аппарат. Достоинства и недостатки.

Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает

«состояние из фрагментов».Оно было предложено математиком Бенуа Мандельбромом в 1975 году для обозначения

нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он заним

ался.

Из всех типов фракталов наиболее наглядными являются геометрические фракталы. В

двухмерном случае их получают с помощью некоторой ломаной (или поверхности в трехмерном

случае), называется генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, состав

ляющих

ломанную, заменяется на ломаную-генератор в соответствующем масштабе. В результате

бесконечного повторения этой процедуры получается геометрический фрактал.

Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным,

когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга.

Геометрические фракталы

Следующую группу составляют фракталы, которые генерируются согласно методу "систем итеративных функций" - IFS (Iterated Functions Systems). Этот метод может быть описан, как последовательный итеративный расчет координат новых точек в пространстве: xk+1 = Fx(xk,yk), yk+1 = Fy(xk,yk), где Fx и Fy - функции преобразования координат, например, аффинного преобразования. Эти функции и обуславливают форму фрактала. В случае аффинного преобразования необходимо найти соответствующие числовые значения коэффициентов. Попробуем разработать фрактал, который выглядел бы, как растение. Вообразим ствол, накотором много веточек. На каждой веточке много меньших веточек и так далее. Наименьшие ветви можно считать листвой или колючками. Все элементы будем рисовать отрезками прямой. Каждый отрезок будет определяться двумя конечными точками. Для начала итераций необходимо задать стартовые координаты концов отрезка. Это будут точки 1, 2. На каждом шаге итераций будем рассчитывать координаты других точек. Сначала находим точку 3. Это повернутая на угол α точка 2, центр поворота - в точке 1 (рис. 4.3): x3 = (x2 –x1) cos α – (y2 –y1) sin α + x1, y3 = (x2 –x1) sin α + (y2 –y1) cos α + y1. Если α = 0, то ствол и все ветви прямые. Потом находим точку 4. От нее будут распространяться ветви. Пусть соотношение длин отрезков 1- 4 и 1 - 3 равняется k, причем 0 < k < 1. Тогда для вычисления координат точки 4 можно воспользоваться такими формулами: x4 = x1 (1-k) + x3 k, y4 = y1 (1-k) + y3 k. Теперь зададим длину и угол наклона ветвей, которые растут из точки 4. Сначала найдем координаты точки 5. Введем еще один параметр - k1, который будет определять соотношение длин отрезков 4-5 и 4-3, причем 0 < kl < 1. Координаты точки 5 равняются

x5 = x4 (1-k1) + x3 k1,

y5 = y4 (1-k1) + y3 k1.

Точки 6 и 7 - это точка 5, но повернутая относительно точки 4 на углы β и - β соответственно:

x6 = (x5 –x4) cos β – (y5 –y4) sin β + x4,

y6 = (x5 –x4) sin β + (y5 –y4)cojs β + y4,

x7 = (x5 –x4) cos β + (y5 –y4) sin β + y4,

y7 = (x5 –x4) sin β + (y5 –y4) cos β + y4,

Достоинства и недостатки:

+ Возможность получения сколь угодно сложных образов из набора элементарных составляющих + Возможность использования фрактальных методов в неграфических областях
- Значительные вычислительные затраты
- При конструировании фрактальных рисунков осуществляется обработка растровых массивов, что ведет к снижению качества изображения

К базовым пакетам относят:

Meta Creation

Diable

Chaos

Fractal II+

Векторная графика — способ представления объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании элементарных геометрических объектов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники. Объекты векторной графики являются графическими изображениями математических функций.

Векторный способ организации графической информации базируется на создании и манипуляции с элементарными графическими примитивами, каждый их которых создается единой командой с использованием тех или иных параметров контрольной точки, длины, радиус-вектора.

Достоинствами является:

Возможность неограниченного редактирования изображения, без потери качества

Высокая точность изображения

Хорошая экономия аппаратных и программных ресурсов

Недостатки:

Существенное ограничение в создании фотореалистичных изображений

Сложность оцифровки неэлектронной графической информации

Сложность экспорта растровых изображений в векторные

К программам векторной графики можно отнести:

Программы САП

Специализированые программы конвертации растровых изображений в векторные

o Corel Trace

o Adobe Streamline
· Программы создания текста и его конвертации в векторный формат. Программы,

работающие на основе Post-Script

 

Растровая графика. Сущность и способы организации данных в растровых программах. Основные пакеты

Базируется на представлении изображений в виде совокупностей отдельных точек (пикселов), которые в совокупности образуют единое изображение на уровне битовой карты. Pixel->Bitmap Основными характеристиками растрового изображения являются:

· Разрешающая способность (разрежение) – определяется количеством длин расстояний между соседними пикселями на единицу длины.

· Количество цветов (глубина цвета) – кол-во цветов, которое может воспроизводить каждый пиксель. Классифицируют изображения следующим образом. Двухцветные (бинарные) - 1 бит на пиксел. Среди двухцветных наиболее часто встречаются черно- белые изображения. Полутоновые - градации серого или другого цвета. Например, 256 градаций (1 байт на пиксел).Цветные изображения (2 бита на пиксел и больше). Глубина цвета 16 битов на пиксел (65536 цветов) получила название High Color, 24 бита на пиксел (16.7 млн. цветов) - True Color. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета - 32, 48 и более битов на пиксел.

При формировании изображений с помощью пикселей и дальнейшем его редактировании всегда возникает ступенчатый эффект (aliasing), который невозможно полностью удалить, но можно

минимизировать.

В процессе генерации растровой картинки или изображения часто используется процедура, растрирование, заключающееся в обмене разрешающей способности на кол-во цветов в растре.

Если рассмотреть ячейки из двух пикселов, то ячейка номер 1 дает оттенок цвета С:

где С1 и С2 - цвета, которые графическое устройство непосредственно способно воссоздать для любого пиксела. Числовые значения С1, С и С2 можно рассчитать в полутоновых градациях или в модели RGB - в отдельности для любого компонента.

DPI кол-во пикселов на дюйм DPI<300 низкая
300< DPI<1200 средняя DPI>1200 высокая

Достоинства:

высокая эффективность при создании высокореалистичных изображений

возможность оцифровки неэлектронной информации

возможность формирования сколь угодного сложного геометр текста

Недостатки:

возникновение искажающих эффектов при редактировании

значительные объемы хранения растровой инф

слабая совместимость растровой и векторных форматов

Основные пакеты: MS Paint, Fractal Design Painter, Fauve Matisse, Curel BM, Adobe PhotoShop, Paint Shop Pro, Corel Capture, Canto Gamulas Desktop.

 

Форматы графических файлов. Алгоритмы сжатия данных в растровых формата

Под форматом файла понимают способ представления и расположения данных на внешнем носителе.
I. ВЕКТОРНЫЕ ФОРМАТЫ предназначены для хранения графической информации, описывающей объект, с помощью элементарных примитивов на базе соответствующих команд. DXF(DWG) [CGM, WMF,EPS - метафайлы]
Вообще, говоря между векторным форматом и так называемым метафайлом не существует абсолютных различий, если векторный файл содержит набор команд для генерации примитивов с их координатами в МСК, то метафайлы также содержат набор команд, но позволяющих генерировать те или иные примитивы на физических устройствах отображения (мониторы, принтеры).
Для устранение проблем передачи данных из одного векторного формата в другой с возможными искажениями существует так называемая OPI технология, которая позволяет импортировать из одного векторного формата в другой не сами объекты (примитивы), а их образы, создавая так называемые копии низкого разрешения. Эскиз каждой копии содержит ссылку на оригинал, который м воспроизводится по этой технологии, в случае необходимости.

 

II. РАСТРОВЫЕ ФОРМАТЫ, предназначены для описания изображения в виде массивов, пикселов или точек. В любом совершенном растровом формате обязательно присутствует тот или иной метод сжатия данных, который позволяет минимизировать объемы хранения растровых данных.

При декодировании (внутренней распаковке) данных так или иначе будет происходить потеря качества кодируемой информации, при чем, чем более эффективным будет алгоритм сжатия, тем ниже будет качество графической информации, сворачиваемая этим методом.
BMP

BITMAPFILEINFO – ширина и высота растров пикселов, информация об использованном методе компрессии (сжатия), информация о глубине цвета, описание конфигурации пикселов и т.д.

PALLETTE – информация, о способах кодирования цвета.

JPEG

В процессе сжатия по алгоритму JPEG используется несколько итераций:

1. Изображение из текущей цветовой модели переводится в цветовую модель LAB (L -яркость) RGBàLAB

2. Отбрасывается половина (иногда 3/4) информации о битовой карте

3. Битовая карта разделяется на блоки 8х8 пикселов, после чего блок кодируется набором

чисел: первые числа кодируют принципиальные характеристики блока (средняя яркость блока, усреднённый цвет), а последние числа кодируют мелкие детали. Информация о мелких деталях может быть отброшена.

4. Включается так называемый алгоритм кодирования Хаффмана, необходимый для компрессии полученных данных на предыдущем шаге. По этому алгоритму число символ, встречающийся в каком-либо наборе чаще всего получает код самой низкой разрядности, а элемент (символ) реже всего встречающийся, получает самую длинную кодировку.

III. 3D-ФОРМАТЫ

[3DS, MDL,MDL2,MDL3] [SMD,X-ФОРМАТ] [VPML]
3D-форматы предназначены для хранения 3D-графики, причем чаще всего динамика объекта в этих форматах не учитывается.
VPML
Обычно 3D-форматы содержат перечень, так называемых, узлов, которые хранят информацию об объектах, их свойствах, и связываются иерархической структурой для получение единого изображения.

IV. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ФОРМАТЫ

AVI, MPEG, QuickTime
Для хранения динамических изображений в мультимедиа форматах обычно используется 2-а подхода. Первый из них состоит в, так называемом, вычислении последовательных различий. Осуществляется вычитание данных предшествующего кадра из последующего и дальнейшее сжатие полученных разностей. Второй подход называется представлении движения и основан на поиске объектов, которые из кадра в кадр меняют свое местоположение или негеометрические характеристики, в этом случае кодируется характеристики и св-ва только изменяющегося объекта, вся же остальная сцена считается фоном и не подлежит сжатию.

 

Базовые инструментальные средства растровых редактовро

Инструменты выделения

Инструменты маскирования

Альфа каналы

Под каналами в КГ понимают 8-ми разрядный вариант изображений, содержащий информацию об этом изображении. Если вариант является монохроматическим изображением, то α (альфа) канал, если цветное, то γ (гамма) канал.

Ретушь

Инструмент, позволяющий локально редактировать битовую карту. К основным инструментам относят: инструмент клонирования, инструмент размытия и повышения резкости, инструмент сглаживая, инструмент осветления и затемнения.

Гистограммы

Позволяют оценить разброс между минимальной и максимальной яркостью изображения.

Уровни

График внешне похож на гистограмму, но при этом позволяет редактировать яркостные и цветовые характеристики в зонах светлых, средних и темных тонов.

Кривые

Этот инструмент активно воздействует на растровые изображения, позволяет осуществлять преобразования спектрального диапазона исходного изображения в спектральный диапазон результирующего.

Инструменты цветокоррекции и цветобаланса

Фильтры (спецэффекты или плагины)

Фильтры растровой графике это небольшие программные модули, позволяющие создавать тот или иной художественный или спецэффект во всем растровом файле или на той или иной группе пикселов (тиснение, акварелизация, выдавливание, стили тех или иных мастеров).

1. Пример: Формирование эффекта «Мягкая акварель».
1) Выбирается 1px и 24 его соседа. Упорядочиваются яркостные характеристики по возрастающему значению.
2) Выбранному пикселу присваивается 13-ая, т.е. медианная(срединная) характеристика из выстроенного ряда. 3) Выбранный пиксел и его соседи притягиваются ядром сверху, в котором центр элемент имеет характеристику 1, а элементы не равные соседям не равные 0.

2.

Слои

Основным отличием растровых слоев от векторных и фронтальных является возможность применения эффекта полупрозрачности, который позволяет делать частично видимым ниже расположенные слои в стопке.

 

Анимация в компьютерной графике. Основные алгоритмы и приемы задания анимации.

Можно дать такое определение анимации - это создание зрительной иллюзии движения, изменения чего-то во времени.
Базовые способы создания анимации:

1. Метод расчета промежуточных изображений

2. Метод анимации на основе событий

События – это изменение в состоянии того или иного параметра, которые управляются с помощью отдельных, независимых шкал.

3. Метод вершинной анимации
Связан с представлением объекта в виде полигональной модели с последующим перемещением вершин полигональной сетки по заранее заданной траектории.

4. Метод скелетной анимации
Основан на представлении объекта в виде полигональной сетки и дальнейшем создании анимации с помощью костной иерархической структуры, описывающей этот объект в целом.
a. Метод интерполяции вершин
Перемещение отдельных узлов полигональной сетки определяется влиянием близлежащих костей к этой вершине.
b. Метод трансформации полигональной сетки в местах перегибов
Метод позволяет рассчитывать изменения местоположения узлов полигональной сетки, находящихся в местах перегиба, в зависимости от изменения местоположения близлежащих костных вершин.
c. Метод прямой кинематики
Создание анимации отслеживается от родительских к дочерним костям.
d. Обратная или инверсная кинематика
Задает анимацию с учетом влияния дочерних костей на родительские.

5. Метод процедурной анимации
Основан на расчете анимируемых параметров с помощью аналитических формул.

6. Метод моделирования частиц (Для маломерных объектов)

7. Метод канальной анимации

Основан на снятии информации об изменении какого-либо параметра с объекта реального мира с помощью датчиков.