Растрова графіка

Застосовується у випадках, коли графічний об'єкт представлено у вигляді комбінації точок (пікселів), яким притаманні свій колір та яскравість і які певним чином розташовані у координатній сітці.

Мал. 1 Растрова графіка

Такий підхід є ефективним у випадку, коли графічне зображення має багато напівтонів і інформація про колір важливіша за інформацію про форму (фотографії та поліграфічні зображення). При редагуванні растрових об'єктів, користувач змінює колір точок, а не форми ліній. Растрова графіка залежить від оптичної роздільчості, оскільки її об'єкти описуються точками у координатній сітці певного розміру. Роздільчість вказує кількість точок на одиницю довжини.

Потрібно розрізняти:

- роздільчість оригінала;

- роздільчість екранного зображення;

- роздільчість друкованого зображення.

Р оздільчість оригінала. Вимірюється у точках на дюйм (dpi - dots per inch) і залежить від вимог до якості зображення та розміру файлу, способу оцифрування або методу створення готового зображення, вибраного формату файлу та інших параметрів. Зрештою, чим вище вимоги до якості, тим більша має бути роздільчість.

Роздільчисть екранного зображення. Для екранного зображення, елементарну точку растра називають пікселом. Розмір піксела коливається в залежності від вибраної екранної роздільчості, роздільчості оригіналу й масштабу відображення. Монітори можуть забезпечити роздільчість 640х480, 800х600, 1024х768, 1600х1200 і вище. Відстань між сусідніми точками люмінофора в якісному моніторі складає 0,22-0,25 мм. Для екранного зображення достатньо роздільчості 72 dpi.

Р оздільчість друкованого зображення. Розмір точки растрового зображення залежить від застосованого методу та параметрів растрування оригіналу. При раструванні на оригінал накладається сітка ліній, комірки якої утворюють елемент растра. Частота сітки растра вимірюється числом ліній на дюйм (lpi - lines per inch) і називається лінєатурою. Розмір точки растра розраховується для кожного елементу і залежить від інтенсивності тону в цій комірці. Якщо у растрі є абсолютно чорний колір, тоді розмір точки растра співпадає з розміром елементу растра (100% заповненість). Для абсолютно білого кольору заповненість складає 0%. На практиці заповненість коливається у межах 3-98%.

Всі точки растру мають однакову оптичну щільність, що наближується до абсолютно чорного кольору. Ілюзія темнішого кольору створюється за рахунок збільшення розмірів точок і скорочення проміжкового поля між ними при однаковій відстані між центрами елементів растра. Такий метод називається растрування з амплітудною модуляцією.

П ри застосуванні методу з частотною модуляцією, інтенсивність тону регулюється зміною відстані між сусідніми точками однакового розміру, тобто в комірках растра з різною інтенсивністю тону знаходиться різне число точок. Зображення, растровані за частотно-модульним методом, якісніші, оскільки розмір точок мінімальний.

При методі стохастичного растрування, враховується число точок, необхідне для відображення потрібної інтенсивності тону у комірці растра. Згодом, ці точки розташовуються всередині комірки на відстані, що підраховується квазівипадковим методом. Регулярна структура растра всередині комірки й у зображення відсутня. Такий спосіб потребує великих трат обчислювальних ресурсів і високої точності поліграфічного устаткування, тому застосовується лише для художніх робіт.

Глибина кольору. Характеризує максимальне число кольорів, які використані у зображенні. Існує декілька типів зображень із різною глибиною кольору:

Піксели і глибина кольору

- чорно-білі;

- у відтінках сірого;

- з індексованими кольорами;

- повноколірні;

Чорно-білі зображення. На один піксел зображення відводиться 1 біт інформації - чорний та білий. Глибина кольору - 1 біт.

З ображення у відтінках сірого. Піксел сірого зображення кодується 8 бітами (1 байт). Глибина кольору - 8 біт, піксел може приймати 256 різних значень - від білого (255) до чорного (0 яскравості).

Зображення з індексованими кольорами. Перші кольорові монітори працювали з обмеженою колірною гамою (16, згодом 256 кольорів). Такі кольори називаються індексованими і кодуються 4 або 8 бітами у вигляді колірних таблиць. В такій таблиці всі кольори вже визначені і можна використовувати лише їх.

Повноколірні зображення. Глибина кольору не менше як 24 біти, що дає можливість відтворити понад 16 мільйонів відтінків. Повноколірні зображення називаються True Color (правдивий колір). Бітовий об'єм кожного піксела розподіляється по основних кольорах обраної колірної моделі, по 8 бітів на колір. Колірні складові організуються у вигляді каналів, спільне зображення каналів визначає колір зображення. Повноколірні зображення на відміну від вище розглянутих є багатоканальними і залежать від колірної моделі (RGB, CMY, CMYK, Lab, HBS), які різняться за глибиною кольорів і способом математичного опису кольорів.

Інтенсивність тону (світлота). Поділяється на 256 рівнів. Більше число градацій не сприймається людським оком і є надлишковим. Менша кількість погіршує сприйняття інформації (мінімальним є 150 рівнів). Для відтворення 256 рівнів тону достатньо мати розмір комірки растра 16х16 точок.

Розмір файлу.

Засобами растрової графіки створюють та обробляють зображення, що потребують високої точності у передачі кольорів та напівтонів. Розміри файлів напряму зв'язані зі збільшенням роздільчості і можуть сягати десятки мегабайтів.

Масштабування растрових зображень.

При збільшенні растрового зображення, можна спостерігати пікселізацію, тобто при масштабуванні збільшується розмір точок і стають помітними елементи растра.

Для усунення цього, потрібно заздалегідь оцифрувати оригінал із роздільчістю, достатньої для якісного відтворення при масштабуванні. Або, при масштабуванні застосовують метод інтерполяції, коли при збільшенні зображення, додається необхідне число проміжкових точок.

Прикладні програми растрової графіки призначені для створення книжкових та журнальних ілюстрацій, обробки оцифрованих фотографій, слайдів, відеокадрів, кадрів мультиплікаційних фільмів. Найпопулярнішими прикладними програмами є продукти фірм:

- Adobe Photoshop ([əˈdəubɪ ˈfəutəʃɔp] , Едоубі Фотошоп) — графічний редактор, розроблений і поширюваний фірмою Adobe Systems. Цей продукт є лідером ринку в області комерційних засобів редагування растрових зображень, і найвідомішим продуктом фірми Adobe. Часто цю програму називають просто Photoshop (Фотошоп). У наш час Photoshop доступний на платформах Mac OS X/Mac OS і Microsoft Windows. Ранні версії редактора були портовані під SGI IRIX, але офіційна підтримка була припинена, починаючи з третьої версії продукту. Для версії CS і CS6 можливий запуск під Linux за допомогою альтернативи Windows API — Wine.

- Corel PHOTO-PAINT - растровий графічний редактор, розроблений канадською корпорацією Corel. Corel PHOTO-PAINT не має такої популярності як Adobe Photoshop, але зіставимо з ним за технічними можливостями.

- Fireworks (скорочено як Fw) — растровий і векторний редактор для веб-дизайнерів і розробників, що дозволяє швидко створювати, редагувати і оптимізувати зображення для веб-сайтів.

Adobe Fireworks дозволяє робити професійну графіку з якісною оптимізацією для публікації у всесвітній мережі Інтернет, а також публікації на екрани практично будь-яких приладів — від смартфонів до інтерактивних терміналів і вбудованих дисплеїв.

Спочатку він був розроблений, використовуючи частини xRes, від Macromedia, яку Adobe придбала в 2005 році, і спрямованих на веб-дизайнерів (з такими функціями, як: скибочки, можливість додавання гарячих точок тощо) для швидкого створення прототипів веб-сайтів і інтерфейсів веб-застосунків. Він призначений для інтеграції з іншими колишніми продуктами Macromedia, такими як Dreamweaver і Flash. Він доступний в якості окремого продукту або в комплекті з Adobe Creative Suite.

- Corel Painter - програма, призначена для цифрового живопису і малюнка. За допомогою графічного планшета художник може працювати з віртуальними інструментами в цій програмі так само легко , як і зі звичайними олівцем або пензлем. І нтерфейс програми розроблений в контексті створення цифрового живопису з «чистого аркуша» (на відміну від програми Photoshop , яка створена для обробки вже наявних зображень , але також дозволяє малювати ) .

Функції:

Імітація традиційних засобів живопису (олівець , пастель , олійні фарби , акварель , аерограф ; в сумі близько 200 інструментів та їх варіацій ) .Цифрові засоби живопису ( близько 200 різноманітних кистей і ефектів ) , система роботи з шарами і їх накладенням , маски , канали кольору.Допоміжні інструменти ( ластик , мастихін , освітлювач , Затемнювач і т. п.).Також є можливість налаштовувати поточні інструменти / засоби або створювати свої власні .

- Microsoft Paint — многофункциональный, но в то же время довольно простой в использовании растровый графический редактор компании Microsoft, входящий в состав всех операционных систем Windows, начиная с первых версий.

Програми растрової графіки можуть використовувати:

- художники-ілюстратори;

- художники-мультиплікатори;

- художники-дизайнери;

- фотографи та ретушери;

- поліграфісти;

- web-дизайнери;

- люба людина - вільний художник, із масою творчих ідей та потенціалу.

Переваги растрової графіки:

- Простота автоматизованого вводу (оцифрування) зображень, фотографій, слайдів, рисунків за допомогою сканерів, відеокамер, цифрових фотоапаратів; · фотореалістичність. Можна отримувати різні ефекти, такі як туман, розмитість, тонко регулювати кольори, створювати глибину предметів.

Недоліки растрової графіки:

- Складність управління окремими фрагментами зображення. Потрібно самостійно виділяти ділянку, що є складним процесом;

- Растрове зображення має певну роздільчість і глибину представлення кольорів. Ці параметри можна змінювати лише у визначених межах і, як правило, із втратою якості;

- Розмір файлу є пропорційним до площі зображення, роздільчості і типу зображення, і, переважно, при хорошій якості є великим.

3-Д Графіка

Тривимірна графіка (3D, 3 Dimensions, укр. 3 виміри) — розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів.

М ал.1 Приклад 3D-графіки

Н айбільше застосовується для створення зображень на площині екрану або аркуша друкованої продукції в архітектурній візуалізації, кінематографі, телебаченні, відеоіграх, друкованій продукції, а також в науці та промисловості.

Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі(сцени) на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм.

При цьому модель може, як відповідати об'єктам з реального світу (автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною.

Реклама тривимірного монітора

Для одержання тривимірного зображення на площині потрібні наступні кроки:

Моделювання — створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній.

Рендеринг (візуалізація) — побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделі.

Виведення отриманого зображення на пристрій виведення — дисплей або принтер.

Однак, у зв'язку зі спробами створення 3D-дисплеїв і 3D-принтерів , тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину.

Стереодисплей (3D-дисплей) - пристрій візуального відображення інформації, що дозволяє створювати у глядача ілюзію наявності реального об'єму у демонстрованих об'єктів і ілюзію часткового або повного занурення в сцену, за рахунок стереоскопічного ефекту.

3D-дисплей

Стереоскопічні дисплеї діляться на два типи:

- Автостереоскопічні дисплеї - дисплеї, що не потребують додаткових аксесуарів і здатні самостійно формувати стереоефект шляхом направлення потрібного пучка світла в потрібне око.

- Дисплеї, що вимагають використання допоміжних пристроїв (окулярів) для створення зорового стереоефекту.

Окуляри для перегляду 3D-зображення

Автостереоскопічні дисплеї.

M IT (Массачусетський технологі́чний інститут) розроблений новий тип стереоскопічного дисплея, який не потребує ніяких окулярів для перегляду. Досі всі подібні розробки мали велику кількість недоліків: жорстко обмежений діапазон відстаней, з яких чітко видно ефект стерео (3D) і обмежена кількість допустимих кутів перегляду, з яких картинка залишається цілісною, а не розповзається в різні боки.

В основі розробки - той же підхід, що використовувався при створенні дисплея ігрової консолі Nintendo 3DS.

Nintendo 3DS — портативна гральна система

Одна з РК-панелей виконує функцію паралаксного бар'єру, в якій вертикально розташовані смуги рідких кристалів по черзі з високою частотою перекривають фонове підсвічування. На іншій панелі одночасно розташовуються обидва компоненти стереопари - дві картинки, що попіксельно перемежовуються і трохи різняться між собою.

Але для великих екранів ілюзія об'єму повинна зберігатися при зміні місця розташування глядача і при нахилах голови. Відповідно, чітко вертикальний параллаксний бар'єр тут не спрацює.

У MIT зробили так, щоб бар'єр адаптувався під зображення. У результаті замість одноманітних вертикальних смуг, що утворюють уніформний бар'єр, виходить динамічна решітка, що складається з багатьох тисяч щілин, форма якої повторює контури відображуваного на екрані об'єкта.

Tensor Display.

Зображення з Tensor Display

Частоту оновлень екрану вдалося збити до 360 Гц, додавши РК-панель, яка формує ще один бар'єр для світла, і розробивши складний алгоритм, який дозволяє скоротити обсяг візуальних даних, необхідний для відображення в кожен момент часу. Автори алгоритму виходили з того, що далеко не всі аспекти об'ємної сцени змінюються при зміні кута зору. Відповідно їх можна при розрахунках опускати. Виходячи з цих розрахунків і формується бар'єрна структура на третій РК- панелі. Дисплей в цілому отримав назву Tensor Display, і абсолютно невипадково: в основі ключового алгоритму - тензорна алгебра.

У результаті:

-Ілюзія об'єму не порушується при нахилі голови і зміні положення;

- Зображення виходить чіткіше і яскравіше , ніж в середньому у інших паралаксних дисплеїв, при споживанні тієї ж кількості енергії, з іншого боку, зазначений алгоритм настільки вимогливий до обчислювальних потужностей, що особливої ​​економії і не виходить;

- Дисплей може безболісно перемикати між 3D-і звичайним 2D - режимами.

При цьому 360 Гц - це поки все одно занадто високо : нинішні серійні цифрові телевізори підтримують максимальну частоту оновлень - 240 Гц.

3D-принтер

3D-принтер — пристрій, що використовує метод пошарового створення фізичного об'єкта за цифровою 3D-моделлю.

Біопринтери — друк 3D-структури майбутнього об'єкта (органу для пересадки) проводиться стовбуровими клітинами. Далі поділ, ріст і модифікації клітин забезпечує остаточне формування об'єкта.

3D-принтер.

Також відомі дві технології позиціонування друкувальної голівки: Декартова, коли в конструкції використовуються три взаємно-перпендикулярні напрямні, уздовж кожної з яких рухається або друкувальна головка, або підставу моделі. За допомогою трьох паралелограмів, коли три радіально-симетрично розташованих двигуна узгоджено зміщують підстави трьох паралелограмів, прикріплених до друкуючої голівки.

Лазерна стереолітографія — об'єкт формується із спеціального рідкого фотополімеру, затвердевающего під дією лазерного випромінювання.

При цьому лазерне випромінювання формує на поверхні поточний шар розробляється об'єкта, після чого, об'єкт занурюється в фотополімер на товщину одного шару, щоб лазер міг приступити до формування наступного шару.

Фотополимерная смола

Селективне лазерне спікання — об'єкт формується з плавкого порошкового матеріалу (пластик, метал) шляхом його плавлення під дією лазерного випромінювання. Порошкоподібний матеріал наноситься на платформу тонким рівномірним шаром (зазвичай спеціальним вирівнювальним валиком), після чого лазерне випромінювання формує на поверхні поточний шар розроблення об'єкта.

Потім платформа опускається на товщину одного шару і на неї знову наноситься порошкоподібний матеріал. Для швидкого прототипування, тобто швидкого виготовлення прототипів моделей і об'єктів для подальшої доведення.

Вже на етапі проектування можна кардинальним чином змінити конструкцію вузла або об'єкта в цілому. У інженерії такий підхід здатний істотно знизити витрати у виробництві та освоєнні нової продукції. Для швидкого виробництва — виготовлення готових деталей з матеріалів, підтримуваних 3D-принтерами. Це відмінне рішення для малосерійного виробництва.

Виробництво різних дрібниць в домашніх умовах. Виробництво складних, масивних, міцних і недорогих систем. Наприклад безпілотний літак Polecat компанії Lockheed, велика частина деталей якого була виготовлена ​​методом швидкісної тривимірної друку.

Безпілотний літак Polecat, компанії Lockheed

Зараз розробка такої машини — проект RepRap, на даний момент принтер вже виробляє більше половини власних деталей.

Немає сумнівів – в подальшому майбутньому галузь 3D–принтерів буде розвиватися, але зарез не кожен може собі дозволити придбати такий принтер, але я впевнений, всі б хотіли мати таку машину для друкування наприклад посуду, деталей побуту і тд.

Моделювання 3D графіки

Сцена (віртуальний простір моделювання) включає в себе кілька категорій об'єктів:

-Геометрія (побудована за допомогою різних технік модель, наприклад будівля).

-Матеріали (інформація про візуальні властивості моделі, наприклад колір стін і відбиває / заломлююча здатність вікон).

-Джерела світла (налаштування напрямки, потужності, спектра освітлення).

-Віртуальні камери (вибір точки та кута побудови проекції).

-Сили та дії (налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації).

-Додаткові ефекти (об'єкти, що імітують атмосферні явища: світло у тумані, хмари, полум'я і пр.).

Завдання тривимірного моделювання - описати ці об'єкти і розмістити їх у сцені за допомогою геометричних перетворень відповідно до вимог до майбутнього зображення.

Рендеринг

На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на плоску (растрову) картинку. Якщо потрібно створити фільм, то рендериться послідовність таких картинок - кадрів. Як структура даних, зображення на екрані представлено матрицею точок, де кожна точка визначена принаймні трьома числами: інтенсивністю червоного, синього і зеленого кольору. Таким чином рендеринг перетворює тривимірну векторну структуру даних у плоску матрицю піксел ів. Цей крок часто вимагає дуже складних обчислень, особливо коли потрібно створити ілюзію реальності. Найпростіший вид рендеринга - це побудувати контури моделей на екрані комп'ютера за допомогою проекції, як показано вище. Звичайно цього недостатньо і потрібно створити ілюзію матеріалів, з яких виготовлені об'єкти, а також розрахувати спотворення цих об'єктів за рахунок прозорих середовищ (наприклад, рідини в склянці).

Існує декілька технологій візуалізації, часто комбінованих разом. Наприклад:

-Z-буфер (використовується в OpenGL і DirectX 10);

-Сканлайн (scanline) - він же Ray casting («кидання променя», спрощений алгоритм зворотного трасування променів) - розрахунок кольору кожної точки картинки побудовою променя з точки зору спостерігача через уявне отвір в екрані на місці цього пікселя «в сцену »до перетину з першою поверхнею. Колір пікселя буде таким же, як колір цієї поверхні (іноді з урахуванням освітлення і т. д.);

-Трасування променів (рейтрейсінг, англ. raytracing) - те ж, що і сканлайн, але колір пікселя уточнюється за рахунок побудови додаткових променів (відображених, заломлених і т. д. ) від точки перетину променя погляду. Незважаючи на назву, застосовується тільки зворотний трасування променів (тобто саме від спостерігача до джерела світла), пряма вкрай неефективна і споживає занадто багато ресурсів для отримання якісної картинки;

Рекурсивне трасування променів демонструє ефект глибини різкості, місцевих джерел світла і розсіяного взаємного відбиття об'єктів.

-Глобальне освітлення (англ. global illumination,radiosity) - розрахунок взаємодії поверхонь і середовищ у видимому спектрі випромінювання за допомогою інтегральних рівнянь.

Внаслідок великого обсягу однотипних обчислень рендеринг можна розбивати на потоки (распараллелівать). Тому для візуалізації вельми актуальне використання багатопроцесорних систем. Останнім часом активно ведеться розробка систем візуалізації використовують GPU (графічний процесор) замість CPU (центральний процесор), і вже сьогодні їх ефективність для таких обчислень набагато вище. До таких систем відносяться:

-Refractive Software Octane Render

-AAA studio FurryBall

-RandomControl ARION (гібридна)

Багато виробників систем візуалізації для CPU також планують ввести підтримку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Найпередовіші досягнення та ідеї тривимірної графіки (і комп'ютерної графіки загалом) доповідаються і обговорюються на щорічному симпозіумі SIGGRAPH, традиційно проводиться в США.