Графические системы

Графические системы.

Системы машинной графики отображают отработанную информацию о процессах или объектах в  виде синтезированного отображения  на экране дисплея или другой экранной плоскости. Для систем машинной графики  источником входной информации является не сами физические процессы, а их математические модели. Такие модели в общем случае представляют упорядоченную совокупность данных, числовых характеристик, параметров, математических и логических зависимостей, отображающих структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами объекта, а также между объектом и его окружением.  
Модели как правило являются обобщенными, предназначенными для описания класса объектов. Индивидуальный объект описывается вводом конкретных значений параметров системы.  
Изображение, которому ставится в соответствие моделируемый аналог называется оригиналом.  
При оценке степени соответствия синтезированного изображения и оригинала будем использовать три уровня подобия: 
физическое  
психофизическое (физиологическое) 
психологическое 
Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: 
геометрических ( пространственных ) 
яркостных ( энергетических ) 
временных  
При физически точном подобии эти характеристики синтезированного изображения должны либо полностью соответствовать оригиналу, либо быть ему пропорциональными.  
При психофизическом уровне подобия соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата при некотором уровне искажений наблюдатель не ощущает разницу между синтезированным изображением и оригиналом. 
Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. В следствии этого синтезированное изображение обеспечивает формирование наблюдателя вполне определенного суждения о реальном или сюжете, хотя синтезированное изображение существенно отличается от оригинала по физическим характеристикам. 
Пример 
Задача, решаемая на уровне психологического подобия: 
формирование трехмерных контурных изображений ( чертежей), выполненных в выбранной аксонометрической проекции. 
Необходимость синтеза изображения на уровне синтеза физического и психофизического подобия возникает при решении следующих задач: 
имитация визуального наблюдения обстановки в видео-тренажерах 
создание банков эталонных изображений автоматического распознавания систем 
оценка внешнего вида и эстетических свойств проектируемых изделий или объектов. 
В обобщенном виде процедуру синтеза изображения можно представить следующей формулой: 
                                                 Gси=Aмг ( Gмод ,

 
где соответственно 
Gмод - модель наблюдаемого объекта ( сцены ) 
Aмг - оператор преобразования (обрабатываемая программа системы машинной графики) 
Gси - двумерное изображение, сформированное системой 

Синтезированное изображение  сопоставляется с оригиналом при  визуальной или аппаратурной съемке. 

Gор=Gвиз=Aвиз(Gо

Gор=Gвых=Aс(Gо,

 
где соответственно 
Gо - поле излучения объекта,  
Aвиз, Aс - соответственно операторы преобразования при визуальном наблюдении в съемочной аппаратуре,  
Gвиз, Gвых - соответственно изображение, полученное при визуальном наблюдении или съемке, 
Gор - изображение - оригинал. 
 
При физическом уровне подобия оригинал и синтезированное изображение должны быть идентичны:

Gор ( Gси)

 
 Текстура изображения

Под текстурой  понимают специфические изменения  тона (цвета) в изображении объекта  или некоторой его части. 
К текстуре относятся также наличие характерных линий на изображении. Синонимами термина текстура являются узор, рисунок, фактура. 
Виды текстуры 
Упорядоченная. Изменение тона в виде правильных или почти правильных геометрических рисунков (кирпичная кладка, кафельная облицовка, шахматный рисунок). 
Стохастическая ( случайная ). Присуща естественным объектам и как правило является следствием шероховатости поверхности. 
Один из основных принципов формирования текстуры - перенос регулярного или стохастического рисунка на поверхность объекта. 
Для нанесения рисунка решается задача преобразования систем координат. Если рисунок задан в пространстве текстуры в системе координат (U, W), а поверхность в ((,(), то для переноса рисунка определяется функция отображения одного пространства на другое, т.е. определяется соотношения : 

(=f ( U,W )

(=g ( U,W )

U=( ( (,( )

W=s ( (,( )

 
В большинстве практических случаев такие преобразования линейны, а коэффициент преобразований может быть вычислен из соотношений между известными точками в системах координат. Характерные точки узора из пространства текстуры переносятся в объектное пространство. Затем в пространство изображений и определенным образом соединяются линии рисунка.  
В процедурах нанесения узоров часто используются фрагментирование как узоров, так и поверхностей.  
При переносе на поверхность предмета текстуры, представляющей непрерывное регулярное или случайное поле яркости наиболее подходящим является метод обратного трассирования лучей. Центр пикселя изображение проецируется на поверхность предмета и по координатам точки на поверхности определяется соответствующая ей точка в пространстве текстуры. Для устранения эффектов, вызванных пространственной дискретизацией используются процедуры сглаживания. Одной из возможных процедур сглаживания является трассирование четырех точек, соответствующим углам пикселя и использования среднего значения яркости текстуры для этих четырех точек. Использование четырех точек пикселя позволяет оценить достаточность процедуры сглаживания, если разность яркостей для выбранных четырех точек больше заданного порога, есть возможность произвести разбиение пикселя на четыре части и вычислить для него яркость более точно. Для синтеза стохастических текстур предпочтительными считаются авто регрессионная модель и модели с использованием методов линейного программирования. Синтез осуществляется с использованием статистических характеристик текстур прототипов:  
плотность вероятности  
автокорреляционной функции.  
Для определения плотности вероятности в пределах некоторого окна измеряют гистограмму, и для ее отображения используют первые четыре момента(среднее, стандартное отклонение, асимметрия, коэффициент эксцесса ).  
Форму автокорреляционной функции выражают через ее четыре центральных пространственных момента. В результате такой обработки формируется восьми мерный вектор признаков текстуры.  
Примечание: стохастические текстуры, синтезированные на основе прототипов хорошо моделируют естественные шероховатые поверхности, если они обладают сравнительно не большой кривизной.  
Для поверхностей со значительной кривизной ( шар, эллипсоид ), перенос на них даже стохастической текстуры не обеспечивает реалистического вида. Причина этого в том, что текстура, сформированная без учета формы объекта не передает изменение освещенности, обусловленной рельефом поверхности. Для реальных шероховатых поверхностей вектор нормали содержит небольшую случайную составляющую, которая определяет характер изменения освещенности в изображении. Для получения изображения, близкого к реалистичному этот фактор необходимо смоделировать.  
N - нормаль к исходной поверхности определяется векторным произведением  
N=Q(u (Q(w , где Q(u ,Q(w - частные производные функции поверхности Q по направлениям U и W.  
Нормаль N( к возмущенной поверхности при малом возмущении F(U,W) вычисляется по формуле:  
N(= N+Fu (N Q(w)((N( + Fw (Q(u N)((N(,  
где Fu , Fw - сечение функции F в данной точке по направлениям соответственно U и W.  
В качестве функции F могут быть использованы как аналитические функции, так и заданные в виде массива. В частности в виде массива можно задать стохастическую текстуру.  
Примечание: изображение при использовании данного метода отображения шероховатых поверхностей приобретает вид, чрезвычайно близкий к реалистичному, однако объем вычислений для алгоритма возмущения нормали примерно в 4-5 раз больше, чем при изображении текстуры без учета рельефа.  
Аналогичные методы возмущения используют для придания естественного вида цветным поверхностям. К исходному цвету добавляется случайная или псевдослучайная составляющая другого цвета, точки поверхности приобретают цвет, являющийся интерполяцией между двумя крайними цветами. Метод применяется для моделирования поверхностей из гравия, цемента и т.д. Для моделирования наиболее сложных поверхностей, содержащих существенные нерегулярности (каменные осыпи, деревья, облака и т.д.) используются фронтальные поверхности, состоящие из случайно заданных полигональных или биполигональных фрагментов. 

Растровые и векторные  графические системы.

Для обработки изображений  на компьютере используются специальные  программы — графические редакторы. Графический редактор — это программа создания, редактирования и просмотра графических изображений. Графические редакторы можно разделить на две категории: растровые и векторные.

Растровые графические  редакторы. Растровые графические редакторы являются наилучшим средством обработки фотографий и рисунков, поскольку растровые изображения обеспечивают высокую точность передачи градаций цветов и полутонов. Среди растровых графических редакторов есть простые, например стандартное приложение Paint, и мощные профессиональные графические системы, например Adobe Photoshop.

Растровое изображение  хранится с помощью точек различного цвета (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Любой пиксель  имеет фиксированное положение  и цвет. Хранение каждого пикселя  требует некоторого количества бит информации, которое зависит от количества цветов в изображении.

Качество растрового изображения определяется размером изображения (числом пикселей по горизонтали  и вертикали) и количества цветов, которые могут принимать пиксели.

Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию (увеличению или уменьшению). Когда растровое изображение уменьшается, несколько соседних точек превращаются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения. При укрупнении изображения увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект, который виден невооруженным глазом.

Векторные графические  редакторы. Векторные графические изображения являются оптимальным средством для хранения высокоточных графических объектов (чертежи, схемы и т. д.). для которых имеет значение наличие четких и ясных контуров. С векторной графикой вы сталкиваетесь, когда работаете с системами компьютерного черчения и автоматизированного проектирования, с программами обработки трехмерной графики.

К векторным графическим редакторам относятся графический редактор, встроенный в текстовый редактор Word. Среди профессиональных векторных графических систем наиболее распространены CorelDRAW и Adobe Illustrator.

Векторные изображения  формируются из объектов (точка, линия, окружность и т. д.), которые хранятся в памяти компьютера в виде графических примитивов и описывающих их математических формул.

Например, графический  примитив точка задается своими координатами (X, Y), линия — координатами начала (XI, У1) и конца (Х2, Y2), окружность — координатами центра (X, Y) и радиусом (К), прямоугольник — величиной сторон и координатами левого верхнего угла (Xl, Y1) и правого нижнего угла (Х2, Y2) и т. д. Для каждого примитива назначается также цвет.

Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем. Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества.

Панели инструментов графических редакторов. Графические редакторы имеют набор инструментов для создания или рисования простейших графических объектов: прямой линии, кривой, прямоугольника, эллипса, многоугольника и т. д. После выбора объекта на панели инструментов его можно нарисовать в любом месте окна редактора. 

Выделяющие инструменты. В графических редакторах над элементами изображения возможны различные операции: копирование, перемещение, удаление, поворот, изменение размеров и т. д. Чтобы выполнить какую-либо операцию над объектом, его сначала необходимо выделить.

Для выделения объектов в растровом графическом редакторе  обычно имеются два инструмента: выделение прямоугольной области  и выделение произвольной области. Процедура выделения аналогична процедуре рисования.

Выделение объектов в векторном редакторе осуществляется с помощью инструмента выделение объекта (на панели инструментов изображается стрелкой). Для выделения объекта достаточно выбрать инструмент выделения и щелкнуть по любому объекту на рисунке.

Инструменты редактирования рисунка позволяют вносить в рисунок изменения: стирать его части, изменять цвета и т. д. Для стирания изображения в растровых графических редакторах используется инструмент Ластик, который убирает фрагменты изображения (пиксели), при этом размер Ластика можно менять.

В векторных редакторах редактирование изображения возможно только путем удаления объектов, входящих в изображение, целиком. Для этого  сначала необходимо выделить объект, а затем выполнить операцию Вырезать.

Операцию изменения  цвета можно осуществить с помощью меню Палитра, содержащего набор цветов, используемых при создании или рисовании объектов.

Текстовые инструменты  позволяют добавлять в рисунок  текст и форматировать его.

В растровых редакторах инструментом Надпись (буква А на панели инструментов) создаются текстовые области на рисунках. Установив курсор в любом месте текстовой области, можно ввести текст. Форматирование текста производится с помощью панели Атрибуты текста.

В векторных редакторах тоже можно создавать текстовые  области для ввода и форматирования текста. Кроме того, надписи к рисункам вводятся посредством так называемых выносок различных форм.

Масштабирующие инструменты  в растровых графических редакторах дают возможность увеличивать или  уменьшать масштаб представления  объекта на экране, не влияя при этом на его реальные размеры. Обычно такой инструмент называется Лупа. 
В векторных графических редакторах легко изменять реальные размеры объекта с помощью мыши.

Форматы графических  файлов

Форматы графических  файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

Сжатие применяется  для растровых графических файлов, так как они имеют обычно достаточно большой объем. Сжатие графических  файлов отличается от их архивации с помощью программ архиваторов. тем, что алгоритм сжатия включается в формат графического файла.

Некоторые форматы графических  файлов являются универсальными, так  как могут быть обработаны большинством графических редакторов. Некоторые программы обработки изображений используют оригинальные форматы, которые распознают только самой создающей программой.

Рассмотрим некоторые  форматы графических файлов:

BMP – универсальный  формат растровой графики в  windows.

GIF – формат растровых  графических файлов для различных ОС. Используется для размещения графических изображений в Интернете.

JPEG - формат растровых  графических файлов, который использует  эффективных алгоритм сжатия (с  потерями). Используется для размещения  графических изображений в Интернете.

WMF – универсальных  формат векторных графических  файлов для windows-приложений.

CDR – оригинальный формат векторных  графических файлов, используется  в системе обработки изображений  CorelDraw