Bartosz Bazyluk WPROWADZENIE Wstęp do dwuwymiarowej grafiki komputerowej.

Transkrypt

1 WPROWADZENIE Wstęp do dwuwymiarowej grafiki komputerowej Grafika komputerowa i wizualizacja, Bioinformatyka S1, II Rok

2 O MNIE mgr inż. Pokój 322/WI2 wykłady, zadania, materiały, informacje Czym się zajmuję: Programowanie grafiki czasu rzeczywistego Eye tracking jako narzędzie badań i interakcji Fotografia HDR i przetwarzanie obrazów HDR Percepcja głębi w obrazach syntezowanych komputerowo 2

3 ZALICZENIE Zajęcia laboratoryjne Zadania do wykonania na zajęciach Bloki zagadnień Trzeba zaliczyć wszystkie z nich, aby otrzymać ocenę 3.0 Mini-projekty z każdego bloku Wykonanie jednego w ciągu semestru = ocena 3.5 Wykonanie dwóch w ciągu semestru = ocena 4.0 Wykonanie trzech w ciągu semestru = ocena 4.5 Wykonanie czterech w ciągu semestru = ocena 5.0 Zaliczenie ustne Wiedza pozyskana na wykładach Na ostatnich zajęciach w ciągu semestru Ocena 5.0 z laboratoriów zwalnia z obowiązku zaliczenia 3

4 KOMPUTEROWA KOMPUTEROWA Synteza obrazu Wyświetlanie obrazu Przetwarzanie obrazu Grafika 2D Techniki wyświetlania Operacje matematyczne Grafika 3D Obraz stereoskopowy Kompresja (realistyczna, czasu rzeczywistego) Druk, poligrafia Geometria Akwizycja obrazu Interfejsy użytkownika Widzenie maszynowe Fotografia GUI Analiza obrazu Wizualizacja danych Metody interakcji Rozpoznawanie i reagowanie Źródło obrazu: 4

5 ZAGADNIENIA Czego będzie dotyczył przedmiot? Bloki zagadnień Dwuwymiarowa grafika rastrowa Trójwymiarowa grafika czasu rzeczywistego Fotografowanie sekwencji zdjęć, kompresja tonów Badania eyetrackingowe Modelowanie sceny 3D z użyciem Blendera Fotografia i obrazy HDR Wyświetlanie sceny 3D z użyciem OpenGL Trójwymiarowa grafika realistyczna Kompresja obrazu porównanie metod Analiza uwagi wzrokowej podczas oglądania obrazów 5

6 SPOSOBY REPREZENTACJI OBRAZU Grafika rastrowa Obraz jako macierz wartości pikseli Grafika wektorowa Obraz jako zbiór kształtów opisanych matematycznie Źródło obrazu: 6

7 RASTROWA Obraz to macierz pikseli tzw. mapa bitowa, popularnie bitmapa (od ang. bitmap) Bitmapy są najczęściej prostokątne Piksel jest najmniejszym fizycznym elementem obrazu, który możemy kontrolować i adresować Źródło obrazu: 7

8 RASTROWA Bitmapę charakteryzują: szerokość, wysokość [px] np px liczba kanałów np. RGB (Red/Green/Blue), czyli 3 kanały np. RGBA (RGB+Alpha, czyli przezroczystość) rozmiar piksela [bpp] np. 24bpp w przypadku RGB = 8 bitów na kanał oznacza to, że każdy z kanałów może przyjąć 2^8 różnych wartości Źródło obrazu: 8

9 RASTROWA Bitmapa może posiadać kolory indeksowane czyli np. zamiast konkretnych wartości RGB pikseli, zapisane są identyfikatory kolorów (oszczędność pamięci) powiązanie identyfikatorów z konkretnymi kolorami (paleta) może być dołączone do bitmapy jako słownik identyfikatory mogą też dotyczyć np. domyślnej palety systemowej Źródło obrazu: 9

10 Ilość pamięci potrzebna do zapisania mapy bitowej: szerokość wysokość rozmiar piksela Przykład: 512px RASTROWA 24bpp 512px ( ) / 8 = B = 768kB ponieważ 1B = 8b 10

11 RASTROWA Zapisując bitmapy w pamięci masowej w celu przechowania, często stosuje się kompresję Algorytmy kompresji można podzielić na dwie podstawowe grupy: Kompresja bezstratna Możliwe jest całkowite odtworzenie pierwowzoru Kompresja stratna W wyniku kompresji dochodzi do utraty jakości, np. szczegółów lub koloru Powstają zniekształcenia, tzw. artefakty Źródło obrazu: 11

12 RASTROWA Popularne formaty zapisu bitmap: BMP duża dowolność formatu danych może wykorzystywać kompresję bezstratną RLE JPEG kompresja stratna brak obsługi przezroczystości 24bpp PNG kompresja bezstratna GIF kompresja bezstratna zazwyczaj max. 8bpp możliwość zapisu sekwencji obrazów jako animacja TIFF duża dowolność formatu danych i sposobów kompresji 12

13 RASTROWA Kompresja JPEG Standard JPEG opisuje działanie kodeka, a nie format pliku Kodek jest algorytmem zamiany obrazu w strumień bajtów oraz zamiany strumienia bajtów w obraz Najpopularniejsze formaty: JPEG/Exif JPEG/JFIF 13

14 RASTROWA Kompresja JPEG krok 1/4 Przejście z przestrzeni RGB do Y'CBCR Y' luma Poziom jasności (nieliniowy!) CB, CR chroma CB różnica koloru niebieskiego i Y' CR różnica koloru czerwonego i Y' Dzięki temu możliwe jest odrębne traktowanie lumy, a co za tym idzie kontrastu, od informacji o kolorze Ludzki aparat widzenia jest bardziej czuły na zmiany w kontraście, niż w kolorze Źródło obrazu: 14

15 RASTROWA Kompresja JPEG krok 2/4 Redukcja rozdzielczości informacji o kolorze (ang. chroma subsampling) Skoro człowiek trudniej zauważa różnicę w zmianach koloru niż kontrastu, to po co marnować pamięć na przechowywanie informacji o kolorze w pełnej rozdzielczości? 4:4:4 bez redukcji 4:2:2 2-krotna redukcja w poziomie 4:2:0 2-krotna redukcja w pionie i poziomie Wyjaśnienie zapisu: Krok opcjonalny Źródło obrazu: 15

16 RASTROWA Kompresja JPEG krok 3/4 Obraz dzielony jest na bloki 8x8 pikseli Stąd bierze się często widoczny "blokowy" artefakt w obrazach JPEG Każdy z kanałów Y'CBCR w każdym z bloków jest osobno poddawany działaniu dyskretnej transformacji kosinusowej (ang. discrete cosine transform, DCT) Przejście do dziedziny częstotliwości Przed zastosowaniem DCT wartości [0;255] przesuwane są do zakresu [-128;127] Tymczasowo każdy komponent zajmuje więcej niż 8 bitów Wartości po DCT poddawane są kwantyzacji Jedyny (poza subsamplingiem) stratny element kodeka, tego etapu dotyczy ustawienie stopnia kompresji Pozwala pominąć zmiany wysokiej częstotliwości Kompresja JPEG krok 4/4 Dodatkowa, bezstratna kompresja Huffmana Może być poprzedzona bezstratnym kodowaniem entropii 16

17 RASTROWA Różne metody kompresji nadają się do różnego rodzaju obrazów Należy zawsze wziąć pod uwagę charakter kompresowanego obrazu by uzyskać optymalny stosunek jakości do rozmiaru pliku Większość metod kompresji pozwala dobrać jej parametry Przykłady: Brak kompresji: 1386kB PNG: 96kB, jakość idealna JPG: 99kB, jakość b.zła JPG: 285kB, jakość db. Brak kompresji: 1875kB PNG: 1268kB, jakość idealna JPG: 480kB, jakość b.db. JPG: 246kB, jakość akceptowalna 17

18 RASTROWA Gdy bitmapa ma zostać wyświetlona w rozmiarze większym niż oryginalny, musi zostać przeprowadzony upsampling 64 64px 96 96px Metoda najbliższego sąsiada (nearest neighbour) Metoda filtracji dwuliniowej (bilinear filtering) 18

19 RASTROWA Gdy bitmapa ma zostać wyświetlona w rozmiarze mniejszym niż oryginalny, musi zostać przeprowadzony downsampling 96 96px 64 64px Metoda najbliższego sąsiada (nearest neighbour) Metoda filtracji dwuliniowej (bilinear filtering) 19

20 RASTROWA Skalowanie jest trudne i prowadzi do pogorszenia jakości obrazu Wymaga dużej ilości pamięci Pozwala na manipulację kolorystyką i zawartością obrazu stosunkowo małym kosztem Dobra do obrazów, które przedstawiają nieprzewidywalnie zmienne obiekty 20

21 WEKTOROWA Obraz opisany jest nie za pomocą kolorów równomiernie rozłożonych pikseli, ale za pomocą informacji o kształtach które go tworzą Przy zapisywaniu obrazu wektorowego, wystarczy że zapamiętamy jakie kształty tworzą obraz ich wizerunek zostanie odtworzony na odczytującym komputerze Rozmiar pliku, jak i szybkość jego wyświetlenia zależą od liczby obiektów tworzących obraz Wyświetlanie skomplikowanych obrazów wektorowych jest bardzo kosztowne przykład: szczegółowe plany miast w formacie Adobe PDF Źródła obrazów: PEPSI, Iconfinder, TFL, Hed Kandi 21

22 WEKTOROWA Obraz opisywany jest za pomocą prostych, parametrycznych figur geometrycznych, tzw. prymitywów: Linie Krzywe Wielokąty Okręgi Tekst Figury te mogą być później dowolnie i niezależnie modyfikowane Źródło obrazu: 22

23 WEKTOROWA Przed wyświetleniem musi zostać poddana rasteryzacji Musi zostać utworzona bitmapa w oczekiwanym rozmiarze, uwzględniając skalowanie Kosztowny proces dla obrazów złożonych z dużej liczby obiektów Pożądane jest użycie technik zmniejszających problem aliasingu (ostrych krawędzi), tzw. anti-aliasing Źródło obrazów: 23

24 WEKTOROWA Transformacje bez utraty szczegółowości Kosztowna w wyświetlaniu dla bardzo skomplikowanych obrazów Zazwyczaj zajmuje dużo mniej pamięci niż rastrowy odpowiednik Umożliwia edycję obiektów zachowując topologię Nie jest odpowiednia do reprezentacji obrazów realistycznych, jak np. zdjęć (ogromna liczba obiektów, konieczność wcześniejszej wektoryzacji bez wiedzy o topologii sceny) Idealna do rysunków, ilustracji, diagramów 24

25 WYŚWIETLANIE OBRAZU Współczesne wyświetlacze komputerowe traktują obraz jako raster Wyświetlacze działają ze stałą częstotliwością odświeżania Najczęściej spotykaną częstotliwością odchylania pionowego jest obecnie 60Hz Dla obrazu stereoskopowego, będzie to dwa razy więcej Progresywne wyświetlanie klatki: 1/60s Źródło obrazu: 25

26 WYŚWIETLANIE OBRAZU W celu wyświetlenia kolorowego obrazu, "zapalane"/"gaszone" są odpowiednie subpiksele Najczęściej subpiksele odpowiadają kolorom RGB Źródło obrazu: 26

27 WYŚWIETLANIE OBRAZU Subpiksele mogą być wykorzystane dla poprawienia jakości wyświetlanego tekstu Np. technologia Microsoft ClearType, Quartz dla MacOS, FreeType Sztuczne zwiększenie rozdzielczości obrazu poprzez takie użycie kolorowych subpikseli, by osiągnąć postrzegalne poziomy luminancji odpowiadające poziomom szarości Źródło obrazu: 27

28 WYŚWIETLANIE OBRAZU Przykład działania technologii Quartz Źródło obrazu: 28

29 WYŚWIETLANIE OBRAZU Karta graficzna odpowiada za stworzenie zawartości obrazu monitora, przechowywanie jej i wysłanie do monitora gdy ten będzie gotowy narysować kolejną klatkę Obraz do wyświetlenia przechowywany jest w buforze klatki (ang. framebuffer) w pamięci graficznej (współcześnie np. GDDR) Bufor klatki posiada takie same cechy, jak zwyczajny obraz: wymiary, liczbę kanałów i rozmiar piksela Obraz Program Obraz (bufor klatki) 29

30 WYŚWIETLANIE OBRAZU Aby uniknąć migotania obrazu podczas jego przerysowywania gdy występuje konieczność jego akutalizacji, stosuje się technikę podwójnego buforowania (ang. double buffering) Mamy wówczas dwa bufory klatki: Bufor "przedni" (ang. front buffer) Bufor "tylny" (ang. back buffer) Jest wyświetlany Jest aktualizowany Gdy zakończy się aktualizacja back buffera, zamieniane są one miejscami (ang. buffer swap) Front Front Back 30

31 WYŚWIETLANIE OBRAZU Aby uniknąć migotania obrazu podczas jego przerysowywania gdy występuje konieczność jego akutalizacji, stosuje się technikę podwójnego buforowania (ang. double buffering) Mamy wówczas dwa bufory klatki: Bufor "przedni" (ang. front buffer) Bufor "tylny" (ang. back buffer) Jest wyświetlany Jest aktualizowany Gdy zakończy się aktualizacja back buffera, zamieniane są one miejscami (ang. buffer swap) Back Front Front 31

32 WYŚWIETLANIE OBRAZU Dla zachowania wrażenia płynności wyświetlanego ruchomego obrazu, należy upewnić się że kolejne klatki animacji będą docierać do monitora, gdy ten będzie gotowy je wyświetlić W tym celu stosuje się tzw. synchronizację pionową (ang. vertical synchronisation / VSync) Sterownik karty graficznej czeka z zamianą buforów, aż monitor będzie gotowy wyświetlić kolejną klatkę W innym wypadku pomimo sprzętowej możliwości wygenerowania nawet większej liczby klatek na sekundę niż wyświetla monitor, obraz nie będzie płynny 32

33 WYŚWIETLANIE OBRAZU = czas renderowania jednej klatki = wyświetlenie zawartości front buffera VSync Off VSync On (sleep) 1/60s (sleep) 1/60s czas 33

34 WYŚWIETLANIE OBRAZU Synchronizacja pionowa i podwójne buforowanie Brak synchronizacji pionowej i podwójnego buforowania 34

35 WPROWADZENIE Wstęp do dwuwymiarowej grafiki komputerowej Grafika komputerowa i wizualizacja, Bioinformatyka S1, II Rok