Аппаратные средства машинной графики

Математическое и программное обеспечение компьютерной графики нельзя рассматривать в отрыве от аппаратных средств, применяемых на различных этапах работы с изображениями. Все эти средства принято делить на три большие группы:

· устройства ввода (сканеры, дигитайзеры/графические планшеты, цифровые фото- и видеокамеры);

· устройства вывода (мониторы, принтеры, плоттеры, цифровые проекторы);

· устройства обработки (графические ускорители, кодеры MPEG и др.).

Поскольку детальная информация о принципах действия, параметрах и применении вышеперечисленных устройств дается в соответствующих разделах других курсов, например «Периферийные устройства ЭВМ», подробнее остановимся только на аппаратных средствах первой группы, на рынке которых наблюдается в настоящий момент бум новых средств и технологий.

Устройства ввода

Существуют различные технические средства, осуществляющие процесс преобразования изображений в цифровую форму, например: сканеры, дигитайзеры (графические планшеты), цифровые фото- и видеокамеры. В каждом конкретном случае важно правильно выбрать нужное устройство, руководствуясь его техническими характеристиками, для получения оцифрованного изображения с требуемой детальностью и цветовой гаммой.

Сканеры

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. Традиционно сканеры служили для решения специализированных задач: ввода и запоминания изображений в настольных издательских системах, организации хранения текстовых документов в юридических фирмах и т. п. С появлением почти у каждого собственных страниц Web и повсеместным распространением цветных струйных принтеров сканеры быстро превращаются в универсальные настольные средства подобно принтерам и модемам.

Принцип действия и виды сканеров

Принцип действия практически всех типов сканеров един. Он основан на том, что направленным лучом освещаются отдельные точки исходного изображения (оригинала) и отраженный в результате луч воспринимается фоточувствительным приемником, где информация о «цвете» точки интерпретируется как конкретное численное значение, которое через определенный интерфейс передается в компьютер.

Как правило, светочувствительные элементы объединяют в матрицу, для того, чтобы сканировать одновременно целый участок оригинала.

По механизму перемещения матрицы светочувствительных элементов относительно оригинала выделяют следующие типы сканеров:

1) Планшетный сканер (Flatbed Scanner) – сканер, в котором оригинал кладется на стекло и сканируется при помощи подвижной линейной матрицы (рис. 11.1). Размеры матрицы и системы фокусировки подобраны так, чтобы вести сканирование листа по всей ширине.

Рис. 11.1. Планшетный сканер

2) Ручной сканер (Handheld Scanner) – портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем ручного перемещения сканера по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования не более 15 см.

3) Барабанный сканер (Drum Scanner) – сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана на очень маленьком расстоянии от оригинала.

Основные характеристики

При выборе конкретной модели сканера необходимо учитывать ряд характеристик, связанных с техническими возможностями модели.

Разрешение (Resolution) – число точек или растровых ячеек, из которых формируется изображение, на единицу длины или площади. Чем больше разрешение устройства, тем более мелкие детали могут быть воспроизведены.

Аппаратное/оптическое разрешение сканера (Hardware/optical Resolution) – это одна из основных характеристик сканера, напрямую связанная с плотностью размещения чувствительных элементов на матрице сканера. Измеряется в количестве пикселов на квадратный дюйм изображения – PPI (Pixel Per Inch). Пример: 300´300 ppi.

Интерполированное разрешение (Interpolated Resolution) – разрешение изображения, полученного при помощи математической обработки исходного изображения. С улучшением качества имеет мало общего. Часто служит рекламной уловкой для неподготовленных пользователей. Пример: 600´1200 (9600) ppi (цифра 600 – максимальное оптическое разрешение, 1200 – разрешение "двойного шага", 9600 – максимальное интерполированное разрешение).

Глубина цвета (color depth) – количество разрядов каждого пиксела в цифровом изображении, в том числе выдаваемом сканером. Описывает максимальное количество цветов, воспроизводимое сканером в виде степени числа 2. Одному разряду соответствует черно-белое изображение, 8-ми – серое полутоновое, 16-ти – цветное, 24-цветное изображение – наиболее близкое к человеческому восприятию (модель RGB), 36bit и больше – полноцветное изображение с высокой достоверностью цветопередачи, предназначенное для профессиональной работы, чаще всего в издательском деле.

Фирмы-производители

На мировом рынке представлено достаточно большое число фирм-производителей сканеров. Наиболее популярные модели производят Hewlett-Packard, Agfa, Canon, Mustek.

Дигитайзеры

Дигитайзер (графический планшет) — это устройство, предназначенное для оцифровки изображений, применяемое для создания на компьютере рисунков и набросков (рис. 11.2). Художник создает изображение на экране, но его рука водит пером по планшету. Как правило, планшет используют профессиональные художники для более точной обработки (создания) изображений.

Рис. 11.2. Графический планшет

Кроме того, дигитайзер можно использовать просто как аналог манипулятора «мышь».

Принцип действия

Дигитайзер, или планшет, как его часто называют, состоит из двух основных элементов: основания и курсора, двигающегося по его поверхности. Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки. При нажатии на кнопку курсора его местоположение на поверхности планшета фиксируется, а его координаты передаются в компьютер. Сетка состоит из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между соседними проводниками (от трех до шести мм).

Основные характеристики

Механизм регистрации позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера.

Шаг считывания регистрирующей сетки является физическим пределом разрешения дигитайзера. Мы говорим о пределе разрешения, потому что следует различать разрешение как характеристику прибора и программно-задаваемое разрешение, что есть переменная величина в настройке дигитайзера.

Следует отметить, что в работе планшетов возможны помехи со стороны излучающих устройств, в частности мониторов. Независимо от принципа регистрации существует погрешность в определении координат курсора, именуемая точностью дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его составляющих. Точность существующих планшетов колеблется в пределах от 0.005 дюйма до 0.03 дюйма.

Важной характеристикой дигитайзера является регистрируемое число степеней нажатия электронного пера. В существующих моделях эта величина может изменяться в пределах от одного до 256-ти. Программа-обработчик использует эту величину, устанавливая в зависимости от нее, например, толщину проводимой линии (чем сильнее нажим, тем толще линия).

Фирмы-производители

Наиболее популярны модели следующих фирм: CalComp, NUMONICS, WACOM.

Цифровые фотокамеры

Цифровая камера получает изображения, обрабатывает их и хранит в цифровом формате. Вместо пленки она использует встроенную или сменную полупроводниковую память, чтобы хранить снимки. Она обладает теми же основными свойствами, что и нормальная фотокамера, и, помимо этого, может соединяться с компьютером, телевизором или принтером. Поскольку обработка кадра происходит непосредственно в камере, пользователь может сразу проверить правильность полученного изображения, напечатать его или послать по электронной почте.

Рис. 11.3. Цифровая фотокамера

Достоинства цифровых фотокамер:

· Изображение обрабатывается сразу же. Большинство цифровых камер имеют маленький цветной экран, на котором можно немедленно увидеть снимок, который был сделан. Это позволяет отказаться от неудачного кадра и записать на его место другой.

· Изображения хранятся в электронной памяти, циклы записи-стирания информации в которую могут повторяться практически бесконечно. Пропадает необходимость каждый раз покупать пленку, реактивы для ее проявки.

· Упростился процесс ввода фотографий в компьютер. Теперь не нужно сканировать изготовленные обычным образом фотографии. Вы просто подключаете цифровую камеру с помощью кабеля или PC-карты к ПК и переписываете нужные снимки на жесткий диск.

· Цифровая камера позволяет проводить множество манипуляций с фотографиями.

Недостатки цифровых фотокамер:

· Низкое разрешение. Приемлемым для качественной печати разрешением (свыше 300 dpi) обладают на сегодняшний день только профессиональные цифровые камеры со стоимостью, делающей их недоступными для массового пользователя.

· Высокая, по сравнению с обычными фотокамерами такого же класса, цена.

· Действительно, качественная печать цифровых фотографий требует чаще всего специального оборудования и имеет высокую себестоимость за счет дорогих расходных материалов.

Принцип действия

Принцип действия цифровой фотокамеры аналогичен принципу действия видеокамеры и состоит в следующем. Пучок лучей света от объекта съемки, проходя через линзу (или систему линз) объектива и диафрагму, попадает на матрицу CCD (Charged Coupled Device). Матрица CCD или, как ее еще называют, ПЗС (преобразователь свет-сигнал) представляет собой прямоугольную матрицу из светочувствительных элементов. Луч света, попадая на чувствительный элемент, преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Аналоговые сигналы от CCD преобразуются в цифровые, обрабатываются и записываются в память. Преобразование сигналов в цифровую форму производится с помощью аналого-цифрового преобразователя ADC.

Кроме CCD, ADC и памяти в электрическую схему цифровой фотокамеры входят процессор DSP, который формирует изображение из цифровых потоков, и конвертор JPEG, сжимающий изображения для увеличения количества хранимых кадров.

Сменная память используется в цифровых камерах для увеличения количества сохраняемых кадров и, чаще всего, представляет собой Flash-карту памяти.

Фирмы-производители

В настоящее время на рынке работают десятки известнейших фирм-производителей как традиционного фотооборудования и материалов (Kodak, Konica, Nikon, Fuji, Agfa, Olympus и др.), так и компьютерной периферии и прочего электронного оборудования (Hewlett-Packard, Seiko Epson, Sony, Ricoh, Mustek, UMAX, LG Electronics, Minolta и др.).

Литература

1. Божко А. Н. Компьютерная графика : [учебное пособие для вузов] / А. Н. Божко, Д. М. Жук, В. Б. Маничев. – М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. – 392 с.

2. Гринченко В.Т., Мацыпура В.Т., Снарский А.А. Введение в нелинейную динамику. Хаос и фракталы. - 2-е изд. Издательство: ЛКИ, 2007 г. — 264 с.

3. Дегтярев В. М. Компьютерная геометрия и графика. – М: Академия 2010 г. 192 с.

4. Краснов М. В. OpenGL. Графика в проектах Delphi. — СПб.: БХВ-Петербург, 2001. — 352 с.

5. М. Домасев, С. Гнатюк. Цвет. Управление цветом, цветовые расчеты и измерения. – СПб: Питер 2009 г. 224 с.

6. Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. — СПб: БХВ-Петербург, 2003. — 560 с.

7. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. – 512 с.

8. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001. – 604 с.

9. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. – СПб: BHV – Санкт-Петербург, 1998. – 256 с.

10. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2-х кн., Кн. 1. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1985 – 368 с.

11. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2-х кн., Кн. 2. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1985 – 368 с.

12. Шикин Е. В., Боресков А. В. Компьютерная графика. Полигональные модели. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. – 464 с.

Оглавление

Введение. 3

1. Способы представления изображений в ЭВМ.. 4

1.1. Растровое представление изображений. 4

1.1.1. Параметры растровых изображений. 6

1.2. Векторное представление изображений. 10

1.3. Представление изображений с помощью фракталов. 13

1.3.1. Геометрические фракталы.. 13

1.3.2. Алгебраические фракталы.. 18

1.3.3. Системы итерируемых функций. 23

2. Представление цвета в компьютере. 24

2.1. Свет и цвет. 24

2.2. Цветовые модели и пространства. 26

2.2.1. Цветовая модель RGB.. 27

2.2.2. Субтрактивные цветовые модели. 28

2.2.3. Модели HSV и HSL. 29

2.3. Системы управления цветом. 30

3. Графические файловые форматы.. 32

3.1. BMP. 34

3.2. TIFF. 35

3.3. GIF. 37

3.4. PNG.. 38

3.5. JPEG.. 39

3.6. PDF. 40

4. Растровые алгоритмы.. 41

4.1. Алгоритмы растеризации. 42

4.1.1. Растровое представление отрезка. Алгоритм Брезенхейма 43

4.1.2. Растровая развёртка окружности. 48

4.1.3. Кривые Безье. 50

4.1.4. Закраска области, заданной цветом границы.. 55

4.1.5. Заполнение многоугольника. 56

4.2. Методы устранения ступенчатости. 60

4.2.1. Метод увеличения частоты выборки. 60

4.2.2. Метод, основанный на использовании полутонов. 61

4.3. Методы обработки изображений. 62

4.3.1. Яркость и контраст. 62

4.3.2. Масштабирование изображения. 64

4.3.3. Преобразование поворота. 67

4.4. Цифровые фильтры изображений. 67

4.4.1. Линейные фильтры.. 68

4.4.2. Сглаживающие фильтры.. 69

4.4.3. Контрастоповышающие фильтры.. 71

4.4.4. Разностные фильтры.. 72

4.4.5. Нелинейные фильтры.. 74

5. Преобразования растровых изображений. 76

5.1. Векторизация с помощью волнового алгоритма. 76

5.1.1. Построение скелета изображения. 77

5.1.2. Оптимизация скелета изображения. 80

5.2. Сегментация изображений. 82

5.2.1. Методы, основанные на кластеризации. 83

5.3. Алгоритм разрастания регионов. 85

6. Компьютерная геометрия. 86

6.1. Двумерные преобразования. 86

6.1.1. Однородные координаты.. 90

6.1.2. Двумерное вращение вокруг произвольной оси. 95

6.2. Трехмерные преобразования. 97

6.3. Проекции. 101

6.4. Математическое описание плоских геометрических проекций 106

6.5. Изображение трехмерных объектов. 111

6.5.1. Видимый объем. 112

6.5.2. Преобразование видимого объема. 116

7. Представление пространственных форм. 118

7.1. Полигональные сетки. 121

7.1.1. Явное задание многоугольников. 121

7.1.2. Задание многоугольников с помощью указателей в список вершин 121

7.1.3. Явное задание ребер. 122

8. Удаление невидимых линий и поверхностей. 123

8.1. Классификация методов удаления невидимых линий и поверхностей 123

8.2. Алгоритм плавающего горизонта. 125

8.3. Алгоритм Робертса. 130

8.3.1. Определение нелицевых граней. 130

8.3.2. Удаление невидимых ребер. 136

8.4. Алгоритм, использующий z–буфер. 137

8.5. Методы трассировки лучей. 143

8.6. Алгоритмы, использующие список приоритетов. 145

8.7. Алгоритм Ньюэла-Ньюэла-Санча для случая многоугольников 147

8.8. Алгоритм Варнока (Warnock) 148

8.9. Алгоритм Вейлера-Азертона (Weiler-Atherton) 151

9. Методы закраски. 152

9.1. Диффузное отражение и рассеянный свет. 152

9.2. Зеркальное отражение. 154

9.3. Однотонная закраска полигональной сетки. 156

9.4. Метод Гуро. 156

9.5. Метод Фонга. 158

9.6. Тени. 159

9.7. Поверхности, пропускающие свет. 159

9.8. Детализация поверхностей. 160

9.8.1. Детализация цветом. 160

9.8.2. Детализация фактурой. 161

10. Библиотека OpenGL. 162

10.1. Особенности использования OpenGL в Windows. 163

10.2. Основные типы данных. 164

10.3. Рисование геометрических объектов. 165

10.3.1. Работа с буферами и задание цвета объектов. 165

10.3.2. Задание графических примитивов. 167

10.3.3. Рисование точек, линий и многоугольников. 168

10.4. Преобразование объектов в пространстве. 171

10.4.1. Преобразования в пространстве. 171

10.4.2. Получение проекций. 172

10.5. Задание моделей закрашивания. 173

10.6. Освещение. 174

10.7. Полупрозрачность. Использование α-канала. 175

10.8. Наложение текстуры.. 176

11. Аппаратные средства машинной графики. 179

11.1. Устройства ввода. 179

11.2. Сканеры.. 180

11.3. Дигитайзеры.. 182

11.4. Цифровые фотокамеры.. 183

Литература. 185

Оглавление. 187

Учебное издание

ДЁМИН Антон Юрьевич

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: