Лабораторный практикум по курсу «Компьютерная графика и инженерная обработка изображений. GIMP. Версия № 2»
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Е.В. Чепин
Лабораторный практикум по курсу «Компьютерная графика
и инженерная обработка изображений. GIMP. Версия № 2»
Москва 2024
УДК 004.92(076) ББК 32.973.26-018я7 Ч-44
Чепин Е.В. Лабораторный практикум по курсу «Компьютерная графика и инженернаяобработкаизображений. GIMP. Версия№2» [Электронныйресурс].
М.: НИЯУ МИФИ, 2024. 48 с.
Данный лабораторный практикум на основе графического редактора GIMP является усовершенствованием «Лабораторного практикума по курсу «Компьютерная графика и обработка изображений. GIMP», который вышел в 2023 г. В новом практикуме учтен опыт преподавания в течение нескольких семестров при выполнении студентами бакалавриата НИЯУ МИФИ таких лабораторных работ. Лабораторный практикум, изданныйранее, проиндексирован в Научной электронной библиотеке eLIBRARY, и его можно найти в библиотеке НИЯУ МИФИ по ссылке: http://libcatalog.mephi.ru/cgi/irbis64r/cgiirbis_64.exe?C21COM=S&I21DBN=BOOK& P21DBN=BOOK&S21FMT=fullwebr&S21ALL=%20&Z21ID=&S21SRW=god&S21S RD=down&S21STN=1&S21REF=3&S21CNR=20&FT_REQUEST=&FT_PREFIX=& Z21MFN=90820.
Данный практикум состоит из двух блоков: первый – работы, связанные с изучениембазовыхалгоритмовитехнологийкомпьютернойграфики; второй– работы, посвященныеизучениюосновинженернойобработкиизображений. Вселабораторные работы требуют знаний теоретических основ методов и алгоритмов, краткое описание которых дается во введении к каждой лабораторной работе.
Предназначенстудентам, обучающимсяпокурсу«Компьютернаяграфикаиинженерная обработка изображений. GIMP».
Рецензенты: кандидат технических наук, доцент НИЯУ МИФИ А.Б. Вавренюк; кандидат технических наук, доцент НИЯУ МИФИ И.В. Чугунков
ISBN 978-5-7262-3089-4 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2024 |
Редактор М.В. Макарова
Подписано в печать 10.10.2024. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд. л. 3,0. Печ. л. 3,0. Изд. № 022-1.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ: GIMP................... |
4 |
Лабораторная работа 1 |
|
КГ: СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ |
|
В GIMP ............................................................................................... |
8 |
Лабораторная работа 2 |
|
КГиИОИ: МЕТОДЫ ПРЕДОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ |
|
В GIMP ............................................................................................. |
16 |
КГиОИ: Общая информация к лабораторным работам 3 и 5–6 |
|
Технологии программирования в среде GIMP................................ |
23 |
Лабораторная работа 3 |
|
КГ: ТЕХНОЛОГИИ ПЛАГИНОВ И СКРИПТОВ |
|
В СРЕДЕ GIMP ................................................................................ |
28 |
Лабораторная работа 4 |
|
ИОИ: МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ИОИ В СРЕДЕ GIMP .............. |
32 |
Лабораторная работа 5 |
|
ИОИ: ТЕХНОЛОГИИ ПЛАГИНОВ И СКРИПТОВ |
|
В СРЕДЕ GIMP ................................................................................ |
43 |
Лабораторная работа 6 |
|
ИОИ: БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ ИОИ...................................... |
47 |
3
ВВЕДЕНИЕ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ: GIMP
Автор курса КГиИОИ исходит из того, что данная дисциплина состоит из двух взаимосвязанных блоков: компьютерная графика (КГ) и инженерная обработка изображений (ИОИ). Это достаточно естественноеи удобноена практикеразделение. Цель КГ – создание на компьютере искусственных/«рукотворных» изображений и их обработка, т.е. изображений, созданных оператором с использованием графического редактора. Цель ИОИ – получение и обработка изображений реального мира, которые используются для их последующей обработки для измерения различных характеристик объектов реального мира, сбора статистики, распознавания и классификации объектов.
КГ и ИОИ имеют ряд инвариантных методов и компьютерных технологий, и, кроме того, они используют одни и те же модели цветности и графические форматы. Однако цели КГ и ИОИ существенно различны.
Приведем основные области использования технологий КГ.
Конструкторская графика – чертежи конструкций, разработанные в соответствии с ГОСТами, например в среде AUTOCAD. Сюда же можно отнести научную графику – разработку документации, полученной с использованием специализированных САПР в различных областях деятельности человека, например, строительство, архитектура, искусство, реставрация и т.п.
Компьютерная картография, геоинформационные системы (ГИС) – сбор, обработка, хранение, отображение пространственнокоординатной информации в целях решения различных задач: планирование застройки и коммуникаций, землепользование, логистика, геология, или военное дело.
Деловая графика – изображения для наглядного представления различных показателей (графики, диаграммы) работы отраслей, учреждений и т.п.
4
Иллюстративная графика – произвольное рисование и черчение на экране монитора для различных применений, прежде всего для художественной и рекламной графики.
Компьютерная анимация – создание движущегося динамического изображения, например мультфильма или рекламного ролика.
Мультимедиа приложения – объединение изображения и
звука.
Обработка изображений для инженерных приложений
(ИОИ) – любаяформаобработки информации, длякоторой входные
данные представлены изображением, полученным из реального мира, например фотографиями из микроскопа или видеокадрами с борта мобильногоробота. Обработка изображений может осуществлятьсякакдляполученияизображениянавыходе(в задачах КГ), так и для получения полезной/необходимой информации в технических системах (это задачи ИОИ). Кроместатичных 2D и3D изображений обрабатываются также изображения, изменяющиеся со временем (видео), так называемые динамические изображения.
КГ и ИОИ отличаются по типам форматов, которые преимущественно используются для этих близких областей. Для КГ – это, как правило, векторные форматы данных, а для ИОИ – растровые. Процесс преобразования из одного класса форматов в другой носят названия: векторизация и растеризации.
Программная среда GIMP является свободным программным продуктом и служит для созданияи обработки растровых изображений. GIMP является аббревиатурой от полного названия программы
«Gnu Image Manipulation Program» (программа GNU для обработки изображений) (GNU’s Not UNIX – «GNU – не Unix»). Программный продукт GIMP – достаточно распространенная и мощная программная среда для создания, редактирования и обработки растровых изображений. Области практического использования данного пакеташироки: отиспользованиявИнтернет-дизайне, отиздательской деятельностиирекламыдообработкирастровыхизображенийвразличных прикладных областях и для «домашних» нужд. Возможно также ее использование в классических задачах ИОИ, однако в весьма ограниченных рамках, расширить которые можно только за счет использования технологий скриптов и плагинов.
Настоящий практикум состоит из шести лабораторных работ. Для выполнения практикума необходим компьютер со следующими
5
минимальными аппаратными ресурсами: компьютер с операционной системой Windows 10 (иливыше) c установленным на нем паке-
том GIMP v.2.10. На сайте http://www.gimp.org/ можно найти бес-
платный дистрибутив программы, а также различную справочную информацию, в том числе и касающуюся работы в изучаемой среде
GIMP.
В случае если ваш компьютер подключен к Интернет, можете в любом месте работы с GIMP, нажав клавишу F1, получить справочную информацию о выполняемой операции. Также можно скачать отдельный файл справочной информации по работе в среде GIMP или учебник.
Примечание. Термин или словосочетание, выделенные в тексте жирным курсивом, вот так, указывают на то, что он взят из меню пакета GIMP, что помогает найти соответствующую операцию в редакторе.
Далееприводится краткое описаниефункциональных возможно-
стей GIMP [1].
Изображение – основной объект, с которым работает GIMP. Под термином «изображение» подразумевается один файл растрового изображения, например в формате типа XCF, формат в GIMP по умолчанию, или JPEG. Поддерживаемые форматы графических файлов включают GIF, JPEG, PNG, XPM, TIFF, TGA, MPEG, PS, PDF, PCX, BMP и др. Собственный формат GIMP – XCF.
Основные типы инструментов и функций пакета GIMP.
Инструменты выделения области обработки, включая прямоугольное, эллиптическое и свободное выделение, «волшебную палочку», кривые Безье и «умное» выделение.
Полный набор инструментов включает кисти, карандаш, рас-
пылитель, штамп и т.д.
Технология использования слоев и каналов.
Полная поддержка альфа-канала для работы с прозрачностью слоев.
Многократныеотмена иповтор действий, ограниченныелишь свободным пространством на жестком диске.
Инструменты преобразования, включая вращение, масштаби-
рование, искривление и отражение.
Технологии «скрипты» и «плагины» – внешние программы.
6
Процедурная база данных длявызова таких внутренних функций GIMP из внешних приложений, как Script-Fu.
Дополнения, позволяющие легко добавлять поддержку новых форматов и фильтров.
Общая характеристика и возможности программы. После за-
пуска программы открывается основное окно (GNU Image Manipulation Program), в котором будет отображаться создаваемое/обрабатываемое изображение. Каждое изображение, открытое в GIMP, отображается в своем окне. Количество изображений, которое может быть открыто одновременно, лимитируется только системными ресурсами. Для того чтобы можно было выполнить какие-то операции в GIMP, необходимо открыть хотя бы одно окно с изображением. Это окно содержит также главное меню среды GIMP, имеющееосновныекоманды GIMP («Файл», «Правка», «Выделение», ...), которыетакжеможно получить нажатием правой клавиши мыши на изображении.
Кроме основного окна необходимо открыть еще два:
«Панель инструментов», обычно расположено слева от основного окна;
«Слои», находящегося справа от основного окна.
Их открытие необходимо установить при начальной настройке пользовательского интерфейса. Эти окна должны всегда открываться при загрузке GIMP.
Окно «Панель инструментов» содержит основные инструменты для рисования и редактирования изображения. В нем имеются кнопкисозначками, нажатиемкоторыхпроизводитсявыборинструментов, и прочие полезные вещи. При выборе конкретного инструмента внизу окна открывается диалог для выбора и настройки параметров данного инструмента.
7
Лабораторная работа 1
КГ: СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ В GIMP
Цель – инсталляция на своем компьютере с правильной установкой пользовательскогоинтерфейса программногоредактора GIMP и приобретение начальных практических навыков, изучение основных возможностей и приемов работы в GIMP при создании графических изображений (КГ).
Продолжительность работы два академических часа.
Введение
Далее приведено краткое описание некоторых функциональных возможностей GIMP, которыебудут полезны при выполнении лабораторной работы 1.
Выделения. Часто при работе возникает необходимость изменить только часть изображения. Для этого существует механизмвыделения областей. В каждом изображении можно создать выделенную область, которая, как правило, отображается в виде движущейся пунктирной линии (она такженазывается муравьиной дорожкой), отделяющей выделенную область от невыделенной. На самом деле выделение в GIMP несколько сложнее, чем просто разделение пикселов на выделенные и невыделенные. В действительности выделение представляет собой канал в градациях серого, т.е. каждая точка изображения может быть выделенной, частично выделенной и не выделенной вовсе. Пунктирная линия, которой отображается выделение, представляет собой контур при уровне выделения 50 %. Вышеупомянутый канал в градациях серого всегда можно увидеть, включив отображениебыстрой маски. Важным компонентом изучения, как эффективно использовать GIMP, является искусство создания хорошего выбора выделения, которое содержат именно то, что вам нужно, и больше ничего.
8
Отменадействий (Undoing). В меню: Правка – Отменить дей-
ствие. Ошибки при редактировании изображений неизбежны, но почти всегда можно отменить свои действия: GIMP записывает «историю» действий, позволяя при необходимости вернуться на несколько шагов назад. Однако эта «история» занимает память, поэтому возможности отмены действий не безграничны. Некоторые действияиспользуют очень малопамяти, поэтомуможновыполнять десятки таких действий перед тем, как самое раннее из них будет удалено из истории; другие типы действий занимают много памяти. Объем памяти, используемой для истории действий, можно изменить, но как минимум два-три последних действия всегда можно отменить. Самое главное действие, которое невозможно отменить, – закрытие изображения. Именно поэтому GIMP просит подтвердить намерениезакрытьизображение, изменениявкоторомещенесохранены.
Каналы. В GIMP каналы являются небольшими подразделениями в стеке слоев, из которых строится изображение. Каждый канал в слое имеет точно такой же размер, как слой, к которому он принадлежит, и, следовательно, состоит из тех же пикселей. Каждый пиксель можетрассматриватьсякакконтейнер, который можетбыть заполнен значением в диапазоне от 0 до 255. Точное значение этой величинызависитоттипаканала, напримервмоделиRGB Color значения в R-канале означают количество красного, который добавляется к цвету различных точек.
Слои. Если изображениеподобно книге, то слой можно сравнить состраницейэтой книги. Простейшееизображениесодержиттолько один слой, и, продолжая аналогию, является «листом бумаги». Однакоопытныепользователи GIMP частоработаютсмногослойными изображениями. Слои могут быть прозрачными и покрывать не все пространство изображения, поэтому глядя в монитор можно видеть нетолько верхний слой, но и часть остальных. Один из способов создания слоев: создание изображения, а затем его Открыть как
слои.
Пункт меню Слой: этот диалог отображает структуру слоев активного изображения и позволяет выполнять операции и управлять ими. Конечно, некоторыепростыеоперации можновыполнять и без него. Но даже не очень опытные пользователи считают необходимым постоянно иметь доступ к диалогу слоев.
9
Изображение со слоями в GIMP можно представить как пачку прозрачных листов. В терминологии GIMP каждый прозрачный лист носит название слой. Не существует в принципе никаких ограниченийна количествослоев, кромеобъема памяти, доступной в системе. Структура слоев в изображении показана в диалоге «Слой», который является вторым наиболее важным видом диалоговым окномпослепанелиинструментов. Каждоеоткрытоеизображениевсегда содержитодин активныйслой – «Фон». Фон представляет собой концепцию GIMP, которая включает в себя слои, а такженекоторые другие такие типы данных, как каналы, маски слоев и маски выделения. Если слой в данный момент активен, он выделен в диалоге слоев, иегоимяотображаетсяв строкесостоянияокнаизображения. Если нет, то можно активировать его, нажав на него.
В строке меню «Основного окна», можно найти меню Слой, содержащеенабор команд, применяемых к активному слою изображения. Такое же меню доступно с помощью щелчка правой кнопкой мыши по диалогу слоев. Возможности манипулирования слоями в GIMP достаточно велики. Поэтому на начальном этапеизучения пакета предлагается пользоваться главным меню. Например, при создании изображения необходимо выполнить простую последовательность действий: в главном меню выбрать Слой – задать его параметры – будет создан слой, например с белым фоном для рисования инструментами. По существу, Фон – то, что можно сделать на нем с инструментами рисования.
Свойства слоя. Каждый слой изображения имеет ряд важных атрибутов.
Имя. Каждый слой имеет собственноеназвание. Оно назначается автоматически при создании слоя, но можно его изменить. Имяслоя изменяетсяспомощьюдвойногощелчка нанемвдиалогеслоев, или с помощью щелчка правой кнопкой мыши там же и затем выбора пункта Правка атрибутов слоя в появившемся меню.
Присутствие или отсутствие альфа-канала. Альфа-канал коди-
рует информацию о том, насколько прозрачен слой в каждой точке. Это видно в диалоге каналов: белый – полностью непрозрачный, черный – полностью прозрачный, и оттенки серого отображают частичную прозрачность.
Слой фона отличаетсяот других. При созданииновогоизображения оно состоит только из одного слоя «Фон». Если изображение
10