Grafika i Komunikacja człowieka z komputerem Wykład 1

Skrócony sylabus Lp Temat –wykłady Godziny Temat – laboratorium 1 Wstęp do grafiki komputerowej 3 Interfejs w C++, funkcje graficzne 2 Algorytmy rastrowe i wektorowe i wektorowe Algorytmy rastrowe i wektorowe Przekształcenia 2D, rzutowanie i przekształcenia 3D 6 Reprezentacja obiektów graficznych Przekształcenia 3D+reprezentacja 7 Animacja, Flash+Action Script Razem 15

Literatura Literatura główna Literatura uzupełniająca Michał Jankowski, Elementy grafiki komputerowej, WNT. Foley J. D., Van Dam A., Wprowadzenie do grafiki komputerowej, P. Shirley, Fundamentals of Computer Graphics, sec. ed. A K Peters, 2005 Literatura uzupełniająca Theo Pavlidis, Grafika i przetwarzanie obrazów, WNT. Jan Zabrodzki, Grafika komputerowa, metody i narzędzia, WNT. Paweł Zakrzewski. Adobe Flash CS6 i ActionScript 3.0. Interaktywne projekty od podstaw. Helion 2013 James D.Foley, Fundamentals of interactive Computers Graphics, Reading. Preparata F. P., Shamos M. I., Geometria obliczeniowa. Wprowadzenie.

Wybrane zastosowania grafiki komputerowej: Gry, Multimedia, TV, Filmy (w sensie produkcji), Wojsko i przemysł (symulatory), Wspomagane komputerowo projektowanie, Nauka, Medycyna (symulacje, wizualizacja), Kartografia, przygotowanie publikacji (DTP).

Wstęp, pojęcie grafiki komputerowej Przetwarzanie danych obrazowych przyjmuje różne formy w zależności od typu zastosowań: grafika, przetwarzanie obrazów, rozpoznawanie obrazów, rysunek obok.

Grafika komputerowa Zajmuje się tworzeniem obrazów na podstawie informacji nieobrazowej, np. narysować odcinek między dwoma punktami o zadanych współrzędnych. Wyodrębnia się także grafikę interaktywną, która odnosi się do urządzeń i systemów akceptujących dane wejściowe podawane w postaci graficznej, np. narysować odcinek między dwoma punktami wskazanymi na ekranie.

Grafika komputerowa Przykładowymi zadaniami grafiki komputerowej są: Narysuj odcinek łączący dwa punkty, Wypełnij wielokąt, Skonstruuj powierzchnię wypukłą (tzn. podaj punkty, które obejmują wszystkie pozostałe punkty), Obróć punkt, przesuń punkt i inne przekształcenia, Narysuj krzywą przechodzącą przez dane punkty, Narysuj powierzchnię przechodzącą przez dane punkty, Utwórz scenę przy zadanym oświetleniu i danych obiektach.

Przetwarzanie obrazów Dotyczy zagadnień, w których dane wejściowe i wyjściowe mają postać obrazów. Przykładowymi zadaniami przetwarzania obrazów są: Usuwanie zakłóceń, Kompresja obrazu, Polepszenie kontrastu obrazu w celu usunięcia prześwietlenia, niedoświetlenia lub zamazania, Zredukowanie obrazu kolorowego do obrazu mającego dwa poziomy luminacji.

Rozpoznawanie obrazów Dotyczy tworzenia opisu obrazu lub zakwalifikowanie obrazu do szczególnej klasy obrazów. Rozpoznawanie obrazów jest zagadnieniem odwrotnym do grafiki komputerowej. Przykładowymi zadaniami rozpoznawania obrazów są: rozpoznawanie pisma przez automatyczny sorter listów, automatyczna diagnostyka lekarska,

Grafika komputerowa a przetwarzanie i rozpoznawanie obrazów Pewne problemy występujące w ww. dziedzinach mogą być wspólne, a pewnych sytuacjach związki między tymi dziedzinami nie są oczywiste. Wspólne elementy dotyczą struktur danych, ich przechowywania, kompresji danych. Związki mniej oczywiste występują np. przy znajdowaniu konturów (zadanie dla przetwarzania obrazów) i przy wypełnianiu konturów (zadanie dla grafiki komputerowej) -związek polega na tym, że jedno zagadnienie jest odwróceniem drugiego.

Przykład Przykładem zagadnienia, w którym istnieje integracja trzech dziedzin -przesyłanie obrazów dokumentów przez linie łączności: przekształcenie znaku alfanumerycznego na jego postać bitową -zamiana opisu znaku na jego obraz (grafika komputerowa), np. dość dobre efekty uzyskuje się za pomocą matrycy 300 bitowej, zapis obrazu mającego postać mapy bitowej za pomocą mniejszej liczby bitów, np. obraz 20x15=300 bitów można zapisać za pomocą mniejszej liczby bitów -znane są przekształcenia, które pozwalają najwyżej 6-cio krotnie zmniejszyć liczbę bitów potrzebnych do przesyłania obrazu -zadanie przetwarzania obrazu, odtworzenie znaku na podstawie jego obrazu -zadanie rozpoznawania obrazu. Uwaga: znaki alfanumeryczne można przesyłać za pomocą mniejszej liczby bitów (np. znak można zapisać za pomocą 8 bitów), ale problem pozostaje przy przesyłaniu np. obrazów w tekście.

Formy danych obrazowych Dalsze slajdy dotyczą wspólnych struktur danych: Algorytmy wykorzystywane w przetwarzaniu danych obrazowych działają dla różnych form danych obrazowych, przy czym podział odnosi się bardziej do sposobu przedstawiania danych obrazowych i ich przedstawiania niż do formy wizualnej. Rozróżnia się cztery klasy obrazów: Obrazy pełnokolorowe (I klasa), dwu lub kilkukolorowe (II klasa), Odcinki lub krzywe ciagłe (III klasa), Punkty izolowane i wieloboki (IV klasa).

obrazy o pełnej gradacji kontrastów i kolorowe obrazy są reprezentowane jako macierze z elementami zwanymi pixelami. Macierze są znacznych rozmiarów -typowe mają 512x512 i dlatego często są przechowywane nie jako zwykłe macierze, ale z wykorzystaniem bardziej wyszukanych form. Ewentualne kolory mogą być uwzględniane jako macierze trójwymiarowe. Przykładem obrazów tej klasy są np. obrazy telewizyjne.

obrazy dwupoziomowe lub kilkukolorowe obrazy tej klasy są zapamiętywane jako macierze z jednym bitem na element obrazu. Obrazy kilkukolorowe są pamiętane jako mapy zawierające jednoznacznie zdefiniowane obszary o ustalonym kolorze. Przykładem obrazu dwupoziomowego może być strona tekstu.

krzywe ciągłe i linie proste obraz jest ciągiem punktów, które mogą być reprezentowane przez współrzędne (x,y) danego punktu lub poprzez przyrosty Dx, Dy między kolejnymi punktami. Efektywniejszą metodą jest jednak wykorzystywanie kodów łańcuchowych, w którym poszczególnym kierunkom przyporządkowujemy odpowiednie symbole. Jeszcze wydajniejszą metodą jest stosowanie różnicowego kodu łańcuchowego. Przykład: metoda współrzędnych: (12,13),(13,13),(13,14),(12,15) metoda przyrostowa: (12,13), (1,0), (0,1),(-1,1) metoda kodów łańcuchowych: (12,13),0,1,3 gdy kierunkowi w prawo przypiszemy 0, kierunkowi prawo do góry przypiszemy 1, kierunkowi lewo do góry 3, rysunek

krzywe ciągłe i linie proste - cd metoda różnicowego kodu łańcuchowego wykorzystuje różnice dla między poszczególnymi kodami łańcuchowymi. Mamy więc wartości: 0, +1, -1, +2, -2, +3, -3 4. Dla krzywych gładkich pewne różnice występują częściej niż pozostałe. Aby przedstawić rysunek możemy wtedy użyć kodu o zmiennej długości, np. Kierunek Kod +1 01 -1 011 +2 0111 -2 01111 +3 011111 -3 0111111 4 01111111

punkty lub wieloboki Obrazy klasy czwartej są reprezentowane przez oddzielne zbiory punktów, które są tak odległe, że nie mogą być reprezentowane przez kody łańcuchowe. Należy wtedy zastosować tablicę współrzędnych (x,y), a do tej tablicy można zastosować jeszcze kody przyrostowe lub kody różnicowe. Punkty mogą być połączone za pomocą linii prostych lub krzywych. Liczba punktów określająca położenie obiektu jest mała. Obrazy tego typu są najczęściej stosowane w grafice komputerowej. W większości zastosowań stosuje się następujące metody: aproksymacja powierzchni za pomocą wieloboków, wycinki aproksymowane są zwykle trójkątami. Obraz składa się wtedy z wieloboków, krzywoliniowe przybliżanie kształtu powierzchni, zbiór krzywych jest rysowany na powierzchni bryły, a ich opisy są używane do otrzymania rzutów, wycinki powierzchni wyższego rzędu, zamiast płaskich wieloboków do opisu powierzchni bryły wykorzystywane są wycinki powierzchni wyższego rzędu.

Przekształcenia miedzy klasami Klasa 1 w klasę 2. Taki proces nazywamy segmentacją i identyfikuje on obszary, gdzie kolor i jasność są w przybliżeniu jednakowe. Klasa 2 w klasę 3. Możliwe przekształcenia to znajdowanie konturu (obszar odwzorowywany jest w krzywą zamkniętą) i ścienianie (tworzony jest zbiór zwany szkieletem obrazu). Klasa 3 w klasę 4. Proces ten nazywany jest segmentacją krzywych. Ma on na celu znalezienie punktów krytycznych na konturze, np. punktami krytycznymi dla wielokątów są ich wierzchołki. Klasa 4 w klasę 3. Obejmuje on interpolację, w której krzywa gładka przechodzi przez punkty i aproksymację, gdy krzywa gładka przechodzi w pobliżu punktów. Klasa 3 w klasę 2. Obejmuje zagadnienia wypełniania konturów (nazywane jest to czasem cieniowaniem). Jeżeli na wejściu jest szkielet obiektu to obraz musi być zrekonstruowany poprzez rozszerzanie. Klasa 2 w klasę 1. Przejście między tymi klasami polega na poprawieniu estetyki obrazu, osiąga się to poprzez zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych lub z zastosowaniem filtrów zakłócających drżenie kolorów

Inne przekształcenia Przedstawione wcześniej przekształcenia obrazów obejmują rozpoznawanie obrazów dla przejścia z klasy niższej do klasy wyższej oraz grafikę komputerową dla przekształcenia obrazu z klasy wyższej do klasy niższej. Innymi przekształceniami są mogą być przekształcenia wewnątrz klasowe -przykładem może być polepszanie jakości obrazu. Ważną klasą zagadnień stanowią przekształcenia między obrazami dwuwymiarowymi a obrazami trójwymiarowymi. Obejmują one rzutowanie - przejście od obrazu trójwymiarowego do dwuwymiarowego i reprojekcja - rekonstrukcja obrazu trójwymiarowego na podstawie rzutów. Inną klasą zastosowań są przekształcenia geometryczne obiektów. Rozważa się także przy nich problemy usuwania zasłoniętych linii lub zasłoniętych powierzchni.

grafika rastrowa - wikipedia Grafika rastrowa: prezentacja obrazu za pomocą pionowo-poziomej siatki odpowiednio kolorowanych pikseli na monitorze komputera, drukarce lub innym urządzeniu wyjściowym. O rozdzielczości systemu (minimalna odległość między dwoma punktami na ekranie) decyduje elektronika układów stosowanych do pisania na ekranie. Dlatego też stosowane są układy o matrycy ekranu o wymiarach 4096x4096. Dla urządzeń rastrowych musi istnieć odwzorowanie elementów obrazu na komórki pamięci operacyjnej. Zwiększenie rozdzielczości powoduje zwiększenie potrzebnej ilości pamięci. Obecnie spotykane matryce ekranu mają wymiar 1024x1024. Mniejsza rozdzielczość powoduje efekt schodów przy rysowaniu linii ukośnych

Grafika wektorowa - wikipedia jeden z dwóch podstawowych rodzajów grafiki komputerowej, w której obraz opisany jest za pomocą figur geometrycznych (w przypadku grafiki dwuwymiarowej) lub brył geometrycznych (w przypadku grafiki trójwymiarowej), umiejscowionych w matematycznie zdefiniowanym układzie współrzędnych, odpowiednio dwu- lub trójwymiarowym, Druga nazwa grafiki wektorowej – grafika obiektowa – związana jest z faktem, iż obraz opisany jest za pomocą tzw. obiektów, które zbudowane są z podstawowych elementów nazywanych prymitywami, czyli prostych figur geometrycznych takich jak odcinki, krzywe, okręgi, wielokąty. Każdy z prymitywów opisywany jest za pomocą parametrów, np. w przypadku odcinka – współrzędnych jego końców, a w przypadku okręgu – współrzędnych środka i długości promienia. Obiekty takie mają także określone atrybuty mówiące np. o grubości i kolorze linii, kolorze wypełnienia figury lub wypełnieniu niejednolitym jak wypełnienie gradientem albo wzorem, stopniu przezroczystości. Atrybuty zależą głównie od stosowanego standardu opisu grafiki wektorowej.

Porównanie grafiki wektorowej i rastrowej Obrazy I i II klasy należą do grafiki rastrowej. Obrazy klasy III i IV należą do grafiki wektorowej. Zaletą grafiki wektorowej jest oddzielenie opisu obiektu od ekranu.

Problemy grafiki komputerowej Operacje na danych (rysowanie, wypełnianie, triangulacje, wyznaczanie zbiorów punktów, przekształcenia geometryczne, reprezentacje: drzewa czwórkowe, ósemkowe, reprezentacje wieloscienne) Modelowanie świata rzeczywistego, Wizualizacja modeli, Realizm, Symulacje zjawisk fizycznych (jest zawężeniem problemu modelowania), np. Ruch kuli, Ruch dwu kul, Kolizje dwu kul, Zderzenie sprężyste (bez deformacji), Zderzenie plastyczne (deformacja), Zderzenie sprężysto-lepkoplastyczne, Modele behavioralne: symulacja ruchu ławicy ryb, stada ptaków.