Grafika 2D. Pojęcia podstawowe. opracowanie: Jacek Kęsik

Transkrypt

1 Grafika 2D Pojęcia podstawowe opracowanie: Jacek Kęsik

2 Obraz - przedmiot, przeważnie płaski, na którym za pomocą plam barwnych i kreski, przy zastosowaniu różnych technik malarskich i graficznych autor dokonał zapisu pewnych treści. Tonalność - występowanie tego samego koloru w różnych nasyceniach i jasnościach. Ciągłotonalność - ciągłe, a nie skokowe, przechodzenie pomiędzy barwami.

3 Obraz cyfrowy w rozumieniu informatycznym - matematyczny zapis do postaci liczbowej (binarnej), danych z detekcji, próbkowania i opisu sygnału wizyjnego Otrzymywanie (np. kamera, skaner) Obraz cyfrowy w odróżnieniu od obrazu rzeczywistego jest obrazem skwantowanym.

4 Obrazy cyfrowe, to najczęściej prostokątne obszary zbudowane z elementów identycznych co do wielkości i kształtu. Elementy te (piksele) są rozmieszczone jednolicie na obszarze całego obrazu. Cechą charakterystyczną piksela jest jego monobarwność, (brak ciągłotonalności w obszarze zajmowanym przez piksel). W obrazie cyfrowym barwa zmienia się skokowo przy przechodzeniu pomiędzy sąsiadującymi pikselami.

5 ciągłotonalność jest odwzorowywana na obrazie cyfrowym za pomocą niewielkich zmian barw pomiędzy kolejnymi sąsiadującymi pikselami. Przy odpowiedniej ich gęstości daje to złudzenie ciągłotonalności.

6 Ograniczenia reprezentacji obrazu: ograniczenie zdolności rozpoznawania szczegółów Ma na nią wpływ dokładność urządzenia rejestrującego wynikająca np. z rodzaju obiektywu i gęstości matrycy (MPix) cyfrowego aparatu fotograficznego. ograniczenie ilości rozróżnialnych stanów elementu (kolorów) Spowodowane zdolnością punktu matrycy do przyjmowania jedynie skończonej ilości stanów w zależności od natężenia światła padającego na niego.

7 Ograniczenia reprezentacji obrazu: obraz płaski Wszystkie punkty obrazu znajdują się w jednakowej odległości od obserwatora. Nie ma możliwości zmian w widzianym obrazie przy jego obserwacji pod różnymi kątami. obraz statyczny Wszystkie piksele obrazu są umieszczone w stałych, niezmiennych pozycjach względem całego obrazu. Wrażenie ruchu - wyświetlanie sekwencji kolejno rejestrowanych obrazów statycznych.

8 Cechy obrazu cyfrowego raster 3 główne rodzaje rastra - siatka heksagonalna - siatka kwadratowa - siatka trójkątna a) b) c) struktura typowego rastra kwadratowego - punkt rastra nie ma wielkości rozmiar posiada jego interpretacja na monitorze lub wydruku

9 piksel i voxel a) b) z 0 n 0 1 N-1 x k x 1 m m M-1 y y n

10 Cechy obrazu cyfrowego Rozdzielczość a) Rozdzielczość PPI (pixel per inch) ilość elementów podstawowych na jednostkę metryczną Jest ona stosowana do określenia gęstości punktów obrazu, a wiec zdolności do zapisywania szczegółów.

11 Cechy obrazu cyfrowego Rozdzielczość b) rozmiar obrazu ilość elementów podstawowych składających się na obraz. W siatce kwadratowej reprezentowana przez iloczyn ilości elementów w poziomie i w pionie (800x600). Taki zapis określa również proporcje obrazu. Wykorzystywany jest również zapis ogólnej ilości pikseli przypadających na obraz (np. 5Mpix)

12 Dopiero zestawienie obu tych wartości (ppi i rozmiarów w pikselach) pozwala na określenie rzeczywistych rozmiarów obrazu.

13 Cechy obrazu cyfrowego Rozdzielczość rozdzielczość obrazu a rozdzielczość urządzenia prezentującego obraz? Jakie rozmiary (rzeczywiste) ma kostka do gry, której zdjęcie wyświetlono na monitorze?

14 Cechy obrazu cyfrowego Przestrzeń reprezentacji barwy sposób zapisu barwy i ilość dostępnych barw (głębia kolorów) Ilość pamięci potrzebnej do zapisania barwy 1 piksela (bits per pixel)

15 Cechy obrazu cyfrowego Barwa cyfrowo - skończony zakres barw - skokowa zmiana barwy (zapis kwantowy) Różne modele barw

16 Cechy obrazu cyfrowego modele barw nastawione na sposób postrzegania - model HSV (HSB) - hue (barwa) - saturation (nasycenie) - value, (jasność)

17 Cechy obrazu cyfrowego modele barw nastawione na sposób postrzegania - model HSL (HSI) - hue (barwa) - saturation (nasycenie) - Lightness, (jaskrawość)

18 Cechy obrazu cyfrowego modele barw Modele zależne od urządzenia Modele te, są mniej intuicyjne a określenie jak zmieni się barwa wraz ze zmianą jednej z wartości jest trudne dla osoby bez odpowiedniego wyszkolenia. Istotą tych modeli jest zgodność ze sposobem tworzenia barw przez urządzenia takie jak monitory czy drukarki.

19 Cechy obrazu cyfrowego modele barw Modele zależne od urządzenia model RGB - Red Barwa powstaje w wyniku addytywnego złączenia trzech liniowo niezależnych kolorów - Green - Blue

20 Cechy obrazu cyfrowego Modele barw prawo Grassmana Każdą dowolnie wybraną barwę można otrzymać za pomocą trzech liniowo niezależnych barw. Barwy liniowo niezależne - nie można utworzyć żadnej z nich za pomocą zmieszania dwóch pozostałych

21 Cechy obrazu cyfrowego modele barw model RGB Zapis dowolnej barwy realizowany jest przez podanie wartości dla wszystkich trzech kolorów składowych. Każdemu kolorowi składowemu można przypisać wartość od 0 zupełny brak tego koloru, do wartości maksymalnej - pełna jaskrawość. Ilość stanów pośrednich jest skończona. Z reguły 256 poziomów (8bit), ale istnieją zapisy 256^2 (16bit) a nawet 256^3 (24bit).

22 Cechy obrazu cyfrowego modele barw model RGB Teoretycznie barwa wytworzona na podstawie składowych RGB powinna być jednakowa na każdym urządzeniu wyświetlającym, jednak niedokładności odwzorowania barw podstawowych powodują powstawanie różnic.

23 Cechy obrazu cyfrowego modele barw model CMYK bazuje na tej samej zasadzie mieszania kolorów składowych jak model RGB Został on stworzony dla celów drukarskich. Przy założeniu, ze światło padające na wydruk jest białe (jest mieszaniną wszystkich kolorów), stosowany jest zestaw kolorów składowych mających za zadanie pochłaniać konkretną barwę z padającego na niego światła białego np. kolor Cyjan pochłania barwę czerwoną.

24 Cechy obrazu cyfrowego modele barw model CMYK Nazwa CMYK pochodzi od kolorów składowych Cyjan, Magenta, Yellow (żółty), black(czarny). Odwrotnie do RGB, zerowe wartości wszystkich składowych dają kolor biały (a tak naprawdę kolor podkładu, na którym drukowany jest obraz).

25 Cechy obrazu cyfrowego modele barw model RGB vs CMYK

26 Cechy obrazu cyfrowego modele barw Model niezależny CIE Lab Graficznym odwzorowaniem modelu jest elipsoida Składowa L przyjmuje wartość od 0 (czarny) do 100 (biały). Składowe a i b przyjmują wartości od -120 do +120.

27 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Wszystkie modele pozwalają na opisywanie składowych barwy w zakresie od do. Dokładność zapisu takiego zakresu, gęstość próbkowania, wyznacza ilość dostępnych kolorów jak również ilość pamięci potrzebnej do przechowania informacji o obrazie.

28 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz dwukolorowy (czarno/biały, bitmapa) Stosując minimalną ilość informacji (1 bit) do zapisu koloru pojedynczego piksela można wykonać zapis obrazu dwukolorowego. Najczęściej wykorzystywane są kolory biały i czarny.

29 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz dwukolorowy (czarno/biały, bitmapa) Odpowiada głębi bitowej 1bpp Obraz 800x600x1b = b =59KB

30 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz monochromatyczny 1 barwa wiele stopni jasności Ilość stopni najczęściej równa 2^n (najczęściej wykorzystywany zakres 2^8=256

31 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz achromatyczny Szczególny przypadek obrazu monochromatycznego. W obrazie brak koloru wyłącznie poziomy jasności światła białego Potocznie (błędnie) nazywany obrazem czarnobiałym

32 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz achromatyczny Odpowiada głębi bitowej 4bpp Obraz 800x600x4b = b =234KB Odpowiada głębi bitowej 8bpp Obraz 800x600x8b = b = 469KB

33 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz kolorowy - indeksowany Indeksowanie - przypisywanie numerów do kolorów występujących na obrazie i przydzielanie pikselom numerów odpowiadających ich kolorom. Obraz indeksowany musi zawierać paletę barw łączącą kolory RGB z ich indeksami.

34 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz HiColor 16bpp 65 tys. kolorów Odpowiada głębi bitowej 16bpp Obraz 800x600x16b = b =938KB

35 Cechy obrazu cyfrowego Głębia kolorów Obraz TrueColor 24bpp 16,7 mln. kolorów Odpowiada głębi bitowej 24bpp Obraz 800x600x24b = b =1,37MB bezpośrednie przełożenie na zakres barw monitora - RGB

36 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Obraz rastrowy można określić jako sposób bezpośredniego zapisu widoku bez analizy co widać na obrazie Grafika rastrowa obejmuje zapis, przetwarzanie jak również próby analizy obrazu rastrowego przez różnego typu wyodrębnianie zbiorów pikseli mających przedstawiać pewien obiekt.

37 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Grafika wektorowa opisuje bezpośrednio to co się na obrazie znajduje. Obraz w tej grafice opisywany jest za pomocą figur geometrycznych (2 lub 3 wymiarowych) umieszczonych w pewnym układzie współrzędnych.

38 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu rastrowego Podstawową cechą i mankamentem obrazu rastrowego jest brak informacji o obiektach na nim przedstawianych. Dla maszyny obraz jest tylko zbiorem równomiernie ułożonych pikseli o różnych wartościach kolorów. Dzięki zdolnościom interpretacyjnym ludzkiego mózgu rozróżniamy na tym obrazie np. łódkę

39 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Obraz wektorowy tworzą prymitywy i obiekty. Prymitywem określa się prostą figurę geometryczną: odcinek, koło, kwadrat, trójkąt, krzywa itp

40 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Obraz wektorowy tworzą prymitywy i obiekty. Każdy z nich ma przypisane parametry takie jak np.: położenie, wielkość, kolor i grubość linii, rodzaj i kolor wypełnienia. Każdy z nich może podlegać zmianom.

41 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Z takich prostych figur buduje się bardziej złożone kształty określane mianem obiektów i ich grup.. Prymitywy tworzące obiekt mogą być przekształcane tylko jako całość podczas gdy elementy (prymitywy i inne obiekty) grupy mogą być edytowane oddzielnie.

42 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Z takich prostych figur buduje się bardziej złożone kształty określane mianem obiektów i ich grup..

43 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Cechą szczególną obrazu wektorowego jest to że jego obiekty są opisane za pomocą matematycznych instrukcji jak je stworzyć. Obiekty powstają dopiero w chwili tworzenia obrazu na ekranie monitora czy wydruku z drukarki.

44 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Mankament: Konieczność posiadania wiedzy - co przedstawia obraz. Automatyczna interpretacja obrazu widzianego jest procesem bardzo złożonym i jak dotąd skutecznie opierającym się próbom automatyzacji. Zaleta: idealny do budowania sztucznego obrazu i manipulowania nim instrukcje matematyczne

45 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Mankament/zaleta: stopień złożoności obrazu wektorowego. Czerwone kółko na białym tle to jedna instrukcja, ale Dokładny obraz rzeczywistego obiektu, np. drzewa, musiałby być niewiarygodnie złożony (np. obejmować matematyczny opis każdej żyłki wszystkich liści tego drzewa ). Który zapis tworzy mniejsze pliki, rastrowy czy wektorowy?

46 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Cechy obrazu wektorowego Mankament/zaleta: stopień złożoności obrazu wektorowego. W grach często wykorzystywany obraz hybrydowy wektorowy opis kształtu obiektu rastrowy opis jego wypełnienia (tekstura)

47 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Obraz rastrowy posiada określoną rozdzielczość. Zmiana skali nie polega jedynie na zmianie tych wartości. Problemem jest brak ciągłości obrazu rastrowego. Znamy kolory sąsiadujących ze sobą pikseli - nie znamy koloru przestrzeni pomiędzy nimi

48 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe W chwili zmiany skali następuje zmiana ilości pikseli opisujących ten sam obszar. Nowe piksele muszą przyjąć jakieś barwy Mogą być one automatycznie określone jedynie na podstawie barw starych pikseli.

49 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Istnieje wiele metod określania kolorów nowych pikseli. Prosta, ustalająca kolor nowego piksela taki sam jak kolor najbliższego (najkrótsza odległość między środkami reprezentacji pikseli) starego piksela Skomplikowana określająca ten kolor na podstawie analizy starych pikseli otaczających miejsce położenia nowego piksela.

50 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Zmniejszanie

51 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie

52 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Możliwość powiększania obrazu rastrowego jedynie w ograniczonym zakresie bez widocznej utraty jakości. W obrazie brakuje informacji potrzebnych do odtworzenia szczegółów powiększonego elementu.

53 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Uzyskiwanie obrazu koła z wykorzystaniem grubego rastra. Punkty rastra zasłaniane przez obiekt w więcej niż 50% przyjęły kolor obiektu

54 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Reprezentacją rastrową koła w tym obrazie jest więc

55 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Powiększając obraz zwiększamy gęstość pikseli. Nowe piksele przyjmują barwy na podstawie starych pikseli (interpolacja) Z powodu braku informacji co piksele przedstawiały, po interpolacji uzyskujemy coś

56 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Nawet najbardziej zaawansowany algorytm interpolacji nie jest w stanie odgadnąć pierwotnego kształtu obiektu?

57 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Nawet najbardziej zaawansowany algorytm interpolacji nie jest w stanie odgadnąć pierwotnego kształtu obiektu?

58 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie rastrowe Powiększanie Nawet najbardziej zaawansowany algorytm interpolacji nie jest w stanie odgadnąć pierwotnego kształtu obiektu?

59 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie wektorowe Obiekty obrazu wektorowego mają skalę określoną względem układu współrzędnych tego obrazu Jest ona niezależna od rozdzielczości urządzenia prezentującego ten obraz Zmiana skali obrazu polega jedynie na matematycznym przeliczeniu odpowiednich wartości w opisie obiektów tego obrazu.

60 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie wektorowe Obraz wektorowy zostaje zamieniony na raster (podlega rasteryzacji) aby mógł być wyświetlony na ekranie monitora. Dzieje się to po przeskalowaniu. Uzyskany obraz nie posiada niedokładności wywołanych koniecznością interpolacji kolorów pikseli.

61 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Skalowanie wektorowe lepiej, ale

62 Obraz rastrowy vs obraz wektorowy Zestawienie cech obrazu wektorowego: dowolna skalowalność matematyczne przeliczenie funkcji opisujących obraz zapis może zawierać informacje o przesłanianych częściach obiektów. brak niepotrzebnego zapisywania pustki bardzo łatwe przejście do 3D bardzo łatwe dodanie dodatkowych cech do obiektów animacje, stopnie przeźroczystości itp. mało skomplikowane obrazy dają znacznie mniej pamięciożerny zapis niż obraz rastrowy raczej nie nadaje się do opisu obrazów rzeczywistych zbyt duże skomplikowanie (każdy element obrazu powinien być opisany) bardzo skomplikowane przeniesienie obrazu do wektorowej postaci cyfrowej (specjalne zestawy kamer, techniki wektoryzacji, problem przesłaniania obiektów)