Растровое представление изображений

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Ю. Дёмин

О С Н О В Ы К О М П Ь Ю Т Е Р Н О Й

Г Р А Ф И К И

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

В учебном пособии изложены математические и алгоритмические основы компьютерной графики. В работе отражены следующие темы: особенности растровой и векторной графики, основные растровые алгоритмы, компьютерная геометрия, алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей, методы закраски поверхностей, работа с графическими стандартами и библиотеками, аппаратные средства компьютерной графики.

Пособие подготовлено на кафедре информатики и проектирования систем Томского политехнического университета, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов ИК обучающихся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».

УДК 681.3.06 (082.5)

ББК

Рецензенты

Доктор технических наук,
– заведующий кафедрой программирования Томского государственного университета, профессор

А.Ю. Матросова

Доктор технических наук,
профессор кафедры автоматизированных систем управления

Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, профессор
М.Ю. Катаев

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2011

© Демин А.Ю. 2011

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

Введение

Если заглянуть в историю, то можно проследить, как с момента появления первых ЭВМ люди стремятся разнообразить способы общения человека и машины, приблизившись к уровню общения человека с человеком. Это общение было бы гораздо более ограниченным, если бы не использовало один из наиболее простых способов — язык изображений, образов. Сегодня графические изображения на экране монитора современного персонального компьютера стали для нас нормой, совершенно неотъемлемым атрибутом интерфейса. Спектр применения компьютерной графики, помимо средства интерфейса «человек-машина», чрезвычайно широк: от создания рекламных роликов, компьютерных мультфильмов и игр, кроя одежды, малых и монументальных форм дизайна, компьютерной живописи до визуализации результатов научных изысканий [10]. Можно с уверенностью сказать, что популярность Internet, и в частности WWW, во многом объясняется широким применением графики.

Рынок программного и аппаратного обеспечения компьютерной графики – один из самых динамичных. Об этом можно судить по объему литературы и числу сервисов Internet, посвященных так или иначе компьютерной графике.

Предметом данной работы является обширная область компьютерных наук, посвященная представлению данных в памяти ЭВМ в графической форме. Это самое общее определение, так как под данными можно понимать как непосредственно хранящееся в виде файла изображение в одном из графических форматов, так и протокол обмена командами между пользователем и ЭВМ (то, что мы называем графическим интерфейсом), и битовую последовательность, сформированную для вывода на экран или печатающее устройство. Методы и способы представления и манипуляции этим видом данных относятся к компетенции компьютерной графики.

В работе рассматриваются различные способы представления изображений в памяти ЭВМ, методы и алгоритмы растеризации и обработки растровых изображений, матричные преобразования на плоскости и в пространстве, методы и алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей. Кроме того, приводятся основы использования графической библиотеки OpenGL, а также описываются базовые аппаратные средства, используемые при работе с изображениями.

Программный код, приведенный в пособии, создан в MS Visual Studio 2010 на языке C#.

Способы представления изображений в ЭВМ

Компьютерная (машинная) графика – область деятельности, изучающая создание, способы хранения и обработки изображений с помощью ЭВМ. Под интерактивной компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики, изучающий вопросы динамического управления со стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия. Кроме интерактивной в компьютерной графике выделяют разделы, изучающие методы работы с изображением на плоскости, так называемую 2D графику, и трехмерную (3D) графику.

Трехмерное изображение отличается от двухмерного, тем, что строится исходя из математического описания некоторой трехмерной сцены. Математическое описание сцены чаще всего является моделью физических объектов в трехмерном пространстве. Таким образом, для получения трехмерного изображения требуется построить математическую модель сцены и объектов на ней, а далее визуализировать путем получения проекции с учетом освещения материалов и пр. В результате визуализации мы получим изображение на плоскости экрана или на выходе принтера.

Вопросы 2D, 3D графики, общего геометрического моделирования, связанные с визуализацией геометрических моделей входят в компетенцию компьютерной геометрии.

На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.

Кроме этого, по способу представления изображения в памяти ЭВМ, компьютерную графику разделяют на векторную,растровую и фрактальную. Рассмотрим подробнее эти способы представления изображений, выделим их основные параметры и определим их достоинства и недостатки.

Растровое представление изображений

Что такое растровое изображение?

Возьмём фотографию (например, см. рис. 1.1). Конечно, она тоже состоит из маленьких элементов, но будем считать, что отдельные элементы мы рассмотреть не можем. Она представляется для нас, как реальная картина природы.

Теперь наложим на изображение прямоугольную сетку. Таким образом, разобьем изображение на прямоугольные элементы. Каждый прямоугольник закрасим цветом, преобладающим в нём (на самом деле программы при оцифровке генерируют некий «средний» цвет, т. е. если у нас была одна чёрная точка и одна белая, то прямоугольник будет иметь серый цвет).

Как мы видим, изображение стало состоять из конечного числа прямоугольников определённого цвета. Эти прямоугольники называют pixel (от PIX ELement) – пиксел или пиксель.

Рис. 1.1. Исходное изображение

Теперь каким-либо методом занумеруем цвета. Конкретная реализация этих методов нас пока не интересует. Для нас сейчас важно то, что каждый пиксель на рисунке стал иметь определённый цвет, обозначенный числом (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Фрагмент оцифрованного изображения и номера цветов

Теперь пойдём по порядку (слева направо и сверху вниз) и будем в строчку выписывать номера цветов встречающихся пикселей. Получится строка примерно следующего вида:

1 2 8 3 212 45 67 45 127 4 78 225 34 ...

Вот эта строка и есть наши оцифрованные данные. Теперь мы можем сжать их (так как несжатые графические данные обычно имеют достаточно большой размер) и сохранить в файл.

Итак, под растровым (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселей) различных цветов или оттенков. Это наиболее простой способ представления изображения, ибо таким образом видит наш глаз.

Достоинством такого способа является возможность получения фотореалистичного изображения высокого качества в различном цветовом диапазоне. Высокая точность и широкий цветовой диапазон требуют увеличения объема файла для хранения изображения и оперативной памяти для его обработки, что можно отнести к недостаткам. Вторым существенным недостатком является потеря качества изображения при его масштабировании.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: