Ответы к экзамену по курсу «Компьютерная геометрия и графика»
Что такое цифровое изображение (ЦИ)?
ЦИ – модель реального или синтезированного изображения, хранящаяся на машинном носителе в виде совокупности цифровых кодов. Для Web в настоящее время используют в основном растровые модели изображений.
Пиксель (англ. pixel – picture element – элемент картинки) – неделимый прямоугольный элемент растровой модели, параметры которого описывают соответствующий ему участок реального или синтезированного изображения.
1. Краткая история компьютерной графики. Виды устройств отображения графической информации.
История развития компьютерной графики
1950 год – появляются компьютеры. Они используются для решения научных и производственных задач, результатом которых были числовые данные.
К 60 – тым годам появление более мощных компьютеров, на которых появляется возможность обработки графических данных в режиме символьной печати.
Затем появляются специальные устройства для вывода на бумагу, так называемые графопостроители, или перьевые плоттеры. Для управления работой графопостроителей стали создавать спец. ПО. Следующий важный шаг произошёл с появлением графических дисплеев. Графический дисплей формирует рисунок из множества точек, выстроенных в ровные ряды или строки, образующие растр. Мониторы, работающие по принципу построчного сканирования, называются растровыми. Плата компьютера, обеспечивающего формирование видеосигнала и тем самым определяющая изображение называются видеоадаптером, видеоплатой и т.д. Основные части видеоадаптера – видеопамять и дисплейный процессор. Выводимое изображение формируется в видеопамяти. Дисплейный процессор читает содержимое видеопамяти и управляет работой монитора. К видеопамяти имеет доступ 2 процессора – центральный и дисплейный. Центральный записывает видеоинформацию, а дисплейный читает её и передаёт на монитор. В видеопамяти хранится последовательность кодов, определяющих цвет каждой точки. Видеоадаптеры могут работать в различных режимах: текстовом и графическом.
В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки, т.е. знакоместа. Каждое знакоместо может быть выведено 250 символами по таблице ASCII кодов.
В графическом режиме информация отображается в виде прямоугольной сетки точек, цвет каждой из которых задаётся программой. Существенное различие имеется при заполнении видеопамяти в текстовом и графическом режимах. В графическом режиме кол – во элементов видеопамяти соответствует количеству точек на экране, в текстовом – количеству символов на экране. В текстовом режиме для каждой позиции на экране запоминается код символа, который в нее выводится и атрибуты изображения этого символа.
Первый компьютер JBM PC – 1981 году был оснащен видеоадаптером MDA. Видеосистема была предназначена для работы только в текстовом режиме.
Через год появляются видеоадаптер Hercules, который поддерживал уже графический черно – белый видеорежим, с размером 720×348 пикселей.
Следующим шагом был видеоадаптер CGA – 1983. Это была первая цветная модель для IBM PC. Он позволил работать в цветном текстовом и графическом режимах.(320×200 – цветной, 640×200 – черно – белый, в цветном может обрабатывать 4 цвета)
В 1984 году появился видеоадаптер EGA. У него был 16 – цветный режим, размером 640×350 пикселей (он имеет недостаток – пиксели не квадратные). В 1987 появились адаптеры MCGA(Multicolor) и VGA(Video) (256 – цветные видеорежимы). На VGA стало возможно черно – белое фото. Появляются видеоадаптеры, обеспечивающие видеорежимы при 16 цветах – 800×600, 640×480, 1024×768 – Super VGA.
1995год – Targa 24 – 16 000000 цветов, т.е. 24 бита / пиксель. Apple, Macintosh стали сдавать позиции.
На данный момент на компьютеры IBM PC с процессором Pentium используется огромное количество видеокарт с глубиной цвета 32 бита / пиксель при размерах растра 1600×1200.
Параметры отображения обуславливаются не только моделями видеоадаптера, но и объемом видеопамяти. Видеопамять хранит растровое изображение, которое полностью соответствует текущему состоянию монитора. Необходимый объем видеопамяти вычисляется как периметр растра экрана на количество бит на пиксель.
В видеопамяти могут хранится несколько кадров изображения. Это используется в анимации, для их сохранения используются отдельные страницы видеопамяти с одинаковой логической организацией, но разной адресацией.
Обмен данными по системной шине для видеосистемы обеспечивают процессор, видеоадаптер и контроллер локальной шины. До недавнего времени использовалась шина PCI (эта шина является стандартом для подключения модемов, сетевых контроллеров и т.д.) на 33МГц – 132МБайта / с.
В настоящее время используется шина AGP. Наличие AGP порта повышает быстродействие компьютера (на 66МГц – скорость 528Мбайт / с). Кроме видеопамяти на плате видеоадаптера располагается специальный мощный графический процессор, который по сложности приближается к центральному. Кроме визуализации содержимого видеопамяти графический дисплейный процессор выполняет такие растровые операции как рисование массивов пикселей, манипуляции с цветами пикселей, копирование, наложение текстуры и т.д. Ранее эти функции выполнялись центральным процессором, а графически использовались лишь для рисования линий и т.д.
Видеоадаптер выполняет эти операции аппаратно, что позволяет намного ускорить их в сравнении с программной реализацией центрального процессора. Наиболее известными являются Open JL, Direct X . Одним из наиболее распространенных является Open GL. Он является библиотекой графических функций и поддерживается многими операционными системами, в том числе и Windows. Графический интерфейс Direct X предназначен для работы под Windows, имеет подсистему 3 – х мерной графики Direct 3D и подсистему Direct DRAW,который имеет доступ к видеопамяти.
2. Свет и цвет в компьютерной графике. Основные понятия и характеристики.
Цвет объекта, который вы видите, зависит от частоты тех световых волн, что попадают в ваши глаза. Этот набор, в свою очередь, зависит от двух факторов – от поглощаемых объектом частот, и от частоты источника света. Если поверхность не поглощает никаких цветов, тогда все цвета отражаются, и вы видите белый цвет. Если поверхность поглощает только лишь красный цвет, а зеленый и синий отражает, то вы увидите голубой цвет, и так далее. Факторы, влияющие на внешний вид конкретного цвета:
* источник света
* информация об окружающих предметах
* ваши глаза
Способы образования цвета в природе:
* источники света (солнце, лампочка и т.д.) излучают свет различных длин волн спектра. Этот свет воспринимается глазом как цветной.
* свет отражается и поглощается, попадая на поверхность несветящихся предметов. Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов.
Ключевой момент здесь заключается в том, что для отражения волн какой – либо частоты (или для пропускания волны через прозрачный фильтр – например, через цветное стекло) волны этой самой частоты должны существовать, их должен вырабатывать источник света. Например, свет, вырабатываемый обыкновенной лампой накаливания, содержит намного больше фотонов из желтого и зеленого спектра, а не синего – именно поэтому свет лампы накаливания кажется нам желтоватым и именно поэтому его называют теплым – в нем больше красного и зеленого, которые отражаются от предметов и достигают глаз.
Цвет любого предмета частично зависит от условий освещения. Грубо говоря, вы можете не узнать своего автомобиля на стоянке, освещенной натриевой лампой. Отметим, что для изменения ощущения цвета вовсе не обязательно такое яркое освещение – цвет изменится и если просто перейти из комнаты, освещенной лампой накаливания на уличный свет.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих субъективности восприятия цвета. Известно, что белый квадрат на черном фоне будет казаться более крупным, чем черный квадрат такой же величины на белом фоне. Белый цвет излучается и выходит за свои пределы, в то время как черный ведет к сокращению размеров занимаемых им плоскостей. Светло – серый квадрат кажется темным на белом фоне, но тот же светло – серый квадрат на черном воспринимается светлым.
* На рисунке желтый квадрат дан на белом и на черном фоне. На белом фоне он кажется темнее, производя впечатление легкого нежного тепла. На черном же становится чрезвычайно светлым и приобретает холодный, агрессивный характер.
* Красный квадрат изображен на белом и на черном фоне. На белом красный цвет кажется очень темным и его яркость едва заметна. Но на черном тот же красный излучает яркое тепло.
* Если синий квадрат изобразить на белом и черном фоне, то на белом он будет выглядеть темным, глубоким цветом, а окружающий его белый станет даже более светлым, чем в случае с желтым квадратом. * На черном же фоне синий цвет посветлеет и приобретет яркий, глубокий и светящийся тон.
Если серый квадрат изобразить на ледяном синем и на красно – оранжевом фоне, то на ледяном синем он станет красноватым, в то время как в окружении красно – оранжевого – синеватым.
Разница становится весьма заметной, если эти композиции рассматривать одновременно. Когда цвет и впечатление от него (его воздействие) не совпадают, цвет производит диссонирующее, подвижное, нереальное и мимолетное впечатление. Вот несколько наглядных примеров.
Если бы цвет был свойством объекта, то вы бы воспринимали его каждый раз одинаково при любых условиях освещенности. Но так как цвет на самом деле не является свойством объекта, а скорее является именно ощущением, единственное, что вы можете сравнивать – это ощущения конкретного цвета, вызванные вашей зрительной системой. Это ощущение изменится при изменении освещения, и для разных объектов эти изменения будут различными. Поэтому сравнивать цвета следует при определенном освещении.
Итак, изменение цвета после изменений условий освещенности объясняется различиями в источниках света. Действительно, предметы выглядят днем несколько иначе, чем вечером. Отметим еще одну особенность – в одних условиях освещения предметы могут казаться одинакового цвета, но стоит изменить освещение, и предметы будут разноцветными. Такое явление получило название метамерии.
|