Wykład 1 Wprowadzenie Obraz jest jednym ze rodków dokładnego i szybkiego przekazywania informacji, a współczesny sprzt komputerowy pozwala na szerokie moliwoci wykorzystania i zastosowania tego rodka. W zalenoci od zastosowa prac z obrazami moemy podzieli na: grafik komputerow, przetwarzanie obrazów i rozpoznawanie obrazów. Przetwarzanie obrazów dotyczy zagadnie, w których dane wejciowe i wyjciowe maj posta obrazu. Rozpoznawanie obrazów s to metody tworzenia cyfrowego opisu obrazu wejciowego, który nastpnie moe by przetworzony przez komputer. Grafika komputerowa obejmuje postpowanie odwrotne - zajmuje si tworzeniem obrazów na podstawie informacji nieobrazowej (cyfrowej). Grafika komputerowa jest działem informatyki, jednak jej oddziaływanie siga daleko poza dziedzin informatyki. Przycignła ludzi z rónych dyscyplin np. sztuki, nauki, filmu. Grafika zapewnia jeden z najbardziej naturalnych rodków komunikacji z komputerem, poniewa nasze wysoce rozwinite zdolnoci rozpoznawania obrazów 2D i 3D umoliwiaj nam odbieranie i przetwarzanie danych obrazowych szybko i wydajnie. Dzisiaj w wielu projektach, implementacjach i procesach konstrukcyjnych informacja, jak niesie obraz, jest w zasadzie niezbdna. Wizualizacja naukowa stała si wanym obszarem prac w kocu lat 80-tych XX wieku, kiedy naukowcy i inynierowie doszli do wniosku, e nie mog interpretowa ogromnych iloci danych produkowanych przez superkomputery bez przedstawiania danych i uwypuklania trendów i zjawisk za pomoc rónego rodzaju reprezentacji graficznych. Interakcyjna grafika komputerowa jest najwaniejszym rodkiem tworzenia obrazów od wynalezienia fotografii i telewizji; ma ona t dodatkow zalet, e korzystajc z komputera moemy tworzy obrazy nie tylko istniejcych rzeczywistych obiektów, ale równie abstrakcyjnych, syntetycznych obiektów i danych, które nie maj wewntrznej geometrii, tak jak wyniki pomiarów. Nie musimy ogranicza si do obrazów statycznych. Chocia obrazy statyczne s dobrym rodkiem przekazywania informacji, czsto obrazy zmieniajce si dynamicznie s znacznie efektywniejsze, zwłaszcza dla zjawisk zmiennych w czasie, zarówno rzeczywistych jak i abstrakcyjnych. Jeeli jest moliwe przedstawienie dynamiki ruchu, to obiekty mog by przesuwane i obracane wokół nieruchomego obserwatora. Równie obiekty mog pozosta nieruchome, a obserwator moe porusza si wokół nich. Mona take przesuwa kamer i wybiera odpowiedni fragment pola wizualizacji oraz robi zblienie albo oddalenie kamery. Uaktualnianie dynamiki ruchu polega na zmienianiu kształtu, barwy i innych własnoci ogldanych albo modelowanych obiektów. Na przykład system moe wy- wietla odkształcenia struktury samolotu w czasie lotu albo zmiany stanów w schemacie blokowym reaktora jdrowego w odpowiedzi na sterowanie przez operatora rónymi mechanizmami reprezentowanymi w postaci graficznej. Im zmiany s bardziej płynne, tym bardziej realistyczny i wartociowy jest wynik. Interakcyjna grafika komputerowa umoliwia wielostronn współprac człowieka z komputerem. Taka współpraca w istotny sposób zwiksza nasz zdolno rozumienia danych, wychwytywania tendencji i wizualizowania rzeczywistych i nierzeczywistych obiektów. Zastosowania grafiki komputerowej Obecnie grafika komputerowa jest stosowana w rónych obszarach przemysłu, biznesu, nauczaniu i rozrywce. Przykłady zastosowa: Interfejsy uytkownika wikszo programów uytkowych wykonywanych na komputerach osobistych ma interfejsy uytkownika z systemem okien zarzdzajcych licznymi równoczesnymi czynnociami i moliwociami wskazywania, pozwalajcymi uytkowni-
kowi wybiera opcje z menu, ikony, obiekty na ekranie. Np. edytory tekstu, arkusze kalkulacyjne, programy do publikacji. Wykresy wizualizacja danych w biznesie, nauce, technologii. Tworzenie wykresów 2D i 3D funkcji matematycznych, fizycznych, ekonomicznych. Wykresy te s uywane na przykład do prezentowania w przejrzysty i zwizły sposób tendencji i wzorów uzyskanych z danych, tak eby wyjani złoone zjawiska i ułatwi podejmowanie decyzji. Kartografia rónego rodzaju mapy (pogody, warstwicowe, demograficzne). Medycyna chirurdzy korzystaj z grafiki do wspomagania kierowania przyrzdami i do dokładnego okrelenia, w którym miejscu naley usun chor tkank. Moemy manipulowa modelem i uzyska szczegółowe informacje o stanie narzdów. Krelenie i projektowanie wspomagane komputerowo. CAD uytkownik korzysta z grafiki interakcyjnej do projektowania elementów i systemów mechanicznych, elektrycznych, elektronicznych. w tym takich struktur jak budynki, karoserie samochodów, kadłuby samolotów i statków, sieci telefoniczne i komputerowe itp. Systemy multimedialne połczenie kilku mediów komunikacyjnych np. tekst, grafika i dwik. Wykorzystywane np. w nauczaniu multimedialnym. Symulacja i animacja dla wizualizacji naukowej i rozrywki. w grafice komputerowej nie musimy ogranicza si do obrazów statycznych. Obrazy zmieniajce si dynamicznie s znacznie efektywniejsze, zwłaszcza dla zjawisk zmiennych w czasie (np. ewolucja twarzy ludzkiej, przemieszczanie si ludnoci). Obiekty mog by przesuwane i obracane wokół nieruchomego obserwatora. Równie obiekty mog by nieruchome, a obserwator moe si porusza wokół nich, np. symulatory lotu, gry (wycigi samochodowe). W wizualizacji naukowej i inynierskiej coraz popularniejsze staj si obrazy i filmy animowane generowane komputerowo, pokazujce zmienne w czasie zachowanie si rzeczywistych i symulowanych obiektów. z takich metod moemy korzysta przy badaniu abstrakcyjnych wielkoci matematycznych i modeli matematycznych, takich zjawisk jak przepływ cieczy, teorie wzgldnoci, reakcje jdrowe i chemiczne, systemy fizjologiczne i działanie organów, deformacje struktur mechanicznych pod wpływem rónych obcie. Moemy tworzy obrazy nie tylko istniejcych rzeczywistych obiektów ale równie abstrakcyjnych, syntetycznych obiektów, które nie maj wewntrznej geometrii, tak jak wyniki pomiarów. Techniki grafiki komputerowej pozwalaj na modelowanie obiektów, reprezentowanie wiateł i cieni, produkcj efektów specjalnych w filmach. Uaktualnianie dynamiki polega na zmianie kształtu, barwy i innych własnoci. Rys historyczny Od pocztku istnienia informatyki wykonywano niedoskonałe rysunki na urzdzeniach drukujcych. Komputer Whirlwind opracowany w 1950 roku w MIT miał wyjciowe urzdzenie wywietlajce z elektropromieniow lamp CRT sterowan przez komputer, przeznaczon dla operatora oraz dla tworzenia kopii za pomoc aparatu fotograficznego. Na pocztku lat 60-tych XX w. Ivan Sutherland opracował system rysujcy Sketchpad. Wprowadził on struktury danych dla pamitania hierarchii symboli oraz opracował metody interakcji za pomoc klawiatury i pióra wietlnego (rczne urzdzenie wskazujce, reagujce na wiatło emitowane przez obiekt znajdujcy si na ekranie) do dokonywania wyborów, wskazywania i rysowania. Sutherland sformułował wiele podstawowych idei i metod, które wci s stosowane. Mona uzna, e były to pocztki nowoczesnej grafiki interakcyjnej. W tym samym czasie producenci komputerów, samochodów i sprztu lotniczego zaczli docenia ogromny potencjał systemów CAD i CAM (komputerowe wspomaganie projektowania i produkcji) w zakresie automatyzacji rysowania i innych czynnoci wymagajcych wielu rysunków. Systemy CAD z General Motors do projektowania samochodów oraz Itek Digitek do projektowania soczewek były pionierskimi programami, które pokazały uytecz-
no interakcji graficznej w praktyce inynierskiej. w tamtych czasach, informacje wprowadzano i wyprowadzano za pomoc kart dziurkowanych w trybie wsadowym i wizano due nadzieje z wprowadzeniem interakcyjnej komunikacji uytkownik-komputer. Grafika komputerowa miała sta si integraln czci ogromnie przyspieszonego cyklu interakcyjnego projektowania. Jednak grafika interakcyjna ze wzgldu na wysokie koszty pozostawała wówczas poza zasigiem wikszoci potencjalnych uytkowników (z wyjtkiem organizacji najbardziej zaawansowanych technologicznie). Do pocztku lat 80-tych XX wieku grafika komputerowa była wsk specjalizacj, głównie ze wzgldu na koszty sprztu i niewielk liczb programów uytkowych korzystajcych z grafiki. Póniej komputery osobiste z wbudowanymi rastrowymi urzdzeniami (np. Apple Macintosh i IBM PC) spopularyzowały korzystanie z grafiki z map bitow w interakcji uytkownika z komputerem. Mapa bitowa jest zero-jedynkow reprezentacj prostoktnej tablicy punktów na ekranie, nazywanych pikselami. Wkrótce po tym, jak dostpna stała si grafika z map bitow, nastpiła eksplozja łatwych w uytkowaniu i tanich zastosowa grafiki. Interfejsy uytkownika wykorzystujce grafik umoliwiły milionom nowych uytkowników korzystanie z prostych, tanich programów uytkowych takich jak arkusze kalkulacyjne, edytory tekstów i programy rysujce. Bezporednie manipulowanie obiektami na zasadzie ich wskazywania i naciskania na myszk zastpiło w znacznym stopniu wypisywanie tajemniczych polece stosowanych we wczeniejszych komputerach. w ten sposób uytkownicy mog wybierajc ikony uruchamia odpowiednie programy lub obiekty. Obecnie prawie wszystkie interakcyjne programy uytkowe powszechnie wykorzystuj grafik w interfejsie uytkownika i dla wizualizacji i manipulowania obiektami. Urzdzenia wywietlajce opracowane w połowie lat 60-tych i wykorzystywane do połowy lat 80-tych ub. wieku s okrelane jako monitory wektorowe, kreskowe, rysujce odcinki albo kaligraficzne. Okrelenie wektor jest uywane jako synonim odcinka; kreska jest krótkim odcinkiem i znaki s tworzone z cigów takich kresek. Typowy system wektorowy zawiera procesor monitora przyłczony jako zewntrzne urzdzenie wejcia/wyjcia do centralnej jednostki przetwarzajcej (CPU), pamici buforowej monitora i CRT. Istot systemu wektorowego jest to, e strumie elektronów, który pisze po pokryciu luminoforowym CRT, jest odchylany od jednego koca odcinka do drugiego, zalenie od kolejnoci polece wywietlania (metoda przeszukiwania przypadkowego). Poniewa wiatło emitowane przez luminofor zanika w cigu dziesitek (co najwyej setek) mikrosekund, procesor monitora musi cyklicznie przebiega list wywietlanych elementów w celu odwieenia luminoforu przynajmniej 30 razy na sekund (30 Hz) po to, eby unikn migotania. Opracowane na pocztku lat 70-tych taniej grafiki rastrowej wykorzystujcej technologi telewizyjn miało znacznie wikszy wpływ na rozwój grafiki komputerowej ni jakakolwiek inna technologia. Monitory rastrowe pamitaj wywietlane prymitywy (np. odcinki, okrgi, znaki, wypełnione w sposób cigły lub wzorami obszary) w pamici ekranu w postaci pikseli tworzcych okrelony prymityw. w niektórych monitorach rastrowych sprztowy kontroler monitora odbiera i interpretuje sekwencje polece wyjciowych; w prostszych systemach kontroler monitora istnieje jako element programowy biblioteki graficznej, a pami ekranu jest czci pamici CPU, która moe by odczytywana przez podsystem wywietlania obrazu (sterownik wywietlania), który tworzy obraz na ekranie. Kompletny obraz na monitorze rastrowym jest tworzony na bazie rastra, czyli zbioru poziomych linii składajcych si z pikseli. Raster jest zapamitywany jako tablica pikseli reprezentujcych cał powierzchni ekranu. Cały obraz jest tworzony sekwencyjnie przez sterownik wywietlania, linia po linii z góry na dół i potem ponownie od góry. Dla kadego piksela natenie strumienia jest tak ustawiane, eby odzwierciedli jasno piksela; w systemach barwnych s sterowane trzy strumienie po jednym dla kadej barwy podstawowej: czerwonej zielonej i niebieskiej zgodnie ze specyfikacj trzech składowych barwy dla kadej wartoci piksela. w systemie
rastrowym cała siatka pikseli (np. 1024 linie po 1024 piksele) musi by bezporednio zapamitana. Na pocztku lat 70-tych XX wieku brak tanich półprzewodnikowych pamici typu RAM potrzebnych do budowy pamici dla mapy bitowej stanowił istotne ograniczenie rozwoju grafiki rastrowej i uniemoliwiał jej zdobycie dominujcej pozycji. Dwupoziomowe monitory CRT (monochromatyczne) rysowały obrazy biało-czarne, czarno-zielone albo czarnopomaraczowe. w dwupoziomowej mapie bitowej kademu pikselowi jest przyporzdkowany 1 bit i cała mapa bitowa ekranu o rozdzielczoci 1024 na 1024 piksele liczy 2 20 bitów czyli około 128 kb. w prostych systemach barwnych jest 8 bitów na piksel dziki czemu dostpnych jest równoczenie 256 barw; w droszych systemach s 24 bity na piksel i istnieje moliwo wywietlenia ponad 16 milionów barw. Dostpne s równie pamici obrazu z 32 bitami na piksel, z tych 32 bitów 24 s przeznaczone reprezentowanie barwy a 8 jest wykorzystywanych do celów sterowania (np. jasnoci). Właciwie pojcie mapy bitowej powinno odnosi si tylko do systemów dwupoziomowych, gdzie jest 1 bit na piksel; dla systemów, gdzie kademu pikselowi przyporzdkowanych wiele bitów, uywamy pojcia mapy pikselowej. Główne zalety grafiki rastrowej w porównaniu z grafika wektorow to niszy koszt i moliwo wywietlania obszarów wypełnionych jednolit barw lub wzorami co jest wane przy tworzeniu realistycznych obrazów obiektów 3D. Główna wada systemów rastrowych w porównaniu z systemami wektorowymi jest zwizana z dyskretn natur reprezentacji piksela. Prymitywy, takie jak odcinki i wielokty, s okrelane przez parametry ich koców (wierzchołków) i musz by odwzorowane w pamici obrazu za pomoc pikseli. Ten proces odwzorowania, czy te konwersji, jest okrelany jako {rasteryzacja}. w komputerach, gdzie mikroprocesor CPU jest odpowiedzialny za cał grafik, rasteryzacja jest wykonywana programowo. Inna wada systemów rastrowych wynika z natury rastra. Podczas gdy system wektorowy moe rysowa cigłe gładkie odcinki i gładkie krzywe w zasadzie od dowolnego punktu na ekranie do dowolnego innego punktu, system rastrowy moe wywietla matematycznie gładkie linie, wielokty i brzegi krzywoliniowych prymitywów takich jak okrgi i elipsy, tylko na zasadzie ich aproksymacji za pomoc pikseli nalecych do siatki rastra. Taka aproksymacja moe powodowa powstawanie problemu "schodków" albo "zbków". To wizualne zakłócenie jest konsekwencj błdu próbkowania okrelanego w teorii przetwarzania sygnałów jako aliasing; takie zakłócenia pojawiaj si wówczas, gdy funkcja cigłej zmiennej zawierajca ostre zmiany jasnoci jest aproksymowana za pomoc dyskretnych próbek. We współczesnej grafice komputerowej s stosowane metody likwidowania takich zakłóce (tzw. antyaliasing). Te metody okrelaj gradacj jasnoci ssiednich pikseli na granicach prymitywów. Z upływem lat ulepszono równie metody wprowadzania informacji. Niewygodne i delikatne pióro wietlne zastpiono wszechobecn myszk, pojawiły si ekrany czułe na dotyk. Dostpne s urzdzenia wejciowe, które okrelaj nie tylko połoenie współrzdnych na ekranie, ale równie współrzdne 3D, a nawet wicej wymiarowe wartoci wejciowe. Przy standardowych urzdzeniach wejciowych uytkownik moe okreli operacje albo elementy obrazu piszc lub rysujc now informacj albo wskazujc informacj istniejc ju na ekranie. Ta interakcja nie wymaga znajomoci programowania trzeba tylko umie posługiwa si klawiatur: uytkownik dokonuje wyborów na zasadzie wybierania przycisków albo ikon menu, odpowiada na pytania przez oznaczanie opcji albo wpisanie kilku znaków w formularzu, rysuje na zasadzie wskazywania kolejnych punktów kocowych, które maj by połczone odcinkami albo interpolowane przez gładkie krzywe, maluje przesuwajc kursor po ekranie i wypełnia wielokty albo zamalowuje wntrza konturów barwami albo rónymi wzorami.
Grafika interakcyjna wywietlanie obrazów Podstawowym zadaniem projektanta programu uytkowego z interakcyjn grafik jest okrelenie klas danych wejciowych albo obiektów, które maj by generowane i reprezentowane obiektowo, oraz okrelenie, jak ma przebiega interakcja midzy uytkownikiem a programem uytkowym przy tworzeniu i modyfikowaniu modelu i jego wizualnej reprezentacji. Wikszo zada programisty koncentruje si raczej na tworzeniu i edycji modelu oraz obsłudze interakcji uytkownika ni na faktycznym tworzeniu obrazów, poniewa to zadanie wykonywane jest przez system graficzny. Program uytkowy tworzy informacje, zapamituje je w modelu i odzyskuje je od niego. Model reprezentuje dane albo obiekty jakie maj by wywietlane na ekranie. Program uytkowy obsługuje równie wejcie uytkownika. Tworzy obraz dziki wysyłaniu do systemu graficznego cigu wyjciowych polece graficznych, które zawieraj zarówno szczegółowy opis geometryczny tego co ma by wywietlone, jak i atrybuty opisujce wygld obiektów. System graficzny jest odpowiedzialny za faktyczne utworzenie obrazu na podstawie szczegółowych opisów i za przekazanie wejcia uytkownika do przetwarzania przez program uytkowy. System graficzny jest wic porednikiem midzy programem uytkowym a sprztem wywietlajcym. Program uytkowy tworzy model albo w wyniku wczeniejszych oblicze albo w wyniku interakcyjnej sesji przy urzdzeniu wywietlajcym, w czasie której uytkownik kieruje procesem konstruowania krok po kroku, wybierajc elementy i właciwoci geometryczne i niegeometryczne (np. program Paint). Dane musz by przedstawione systemowi graficznemu albo w postaci prymitywów, które system moe wywietli bezporednio albo atrybutów, które okrelaj wygld prymitywów.