Elementy grafiki komputerowej

© M. Siemaszko 2011

Rok akademicki 2010/2011– semestr letni

Grafika komputerowa – definicja

Grafika komputerowa – dział informatyki zajmujący
się wykorzystaniem komputerów do generowania
obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych

Wikipedia

Wikipedia

Grafika komputerowa jest obecnie narzędziem powszechnie
stosowanym w nauce, technice, kulturze oraz rozrywce

Elementy grafiki komputerowej

Grafika komputerowa – zastosowania

Przykładowe zastosowania grafiki komputerowej:

•

interfejsy graficzne systemów operacyjnych i aplikacji

•

wizualizacja symulacji komputerowych

•

wizualizacja danych pomiarowych

•

diagnostyka medyczna

Elementy grafiki komputerowej

•

diagnostyka medyczna

•

projektowanie wspomagane komputerowo (CAD)

•

przygotowanie publikacji do druku (DTP)

•

kartografia

•

fotografia cyfrowa

•

efekty specjalne w filmach

•

gry komputerowe

Grafika komputerowa – klasyfikacja (1)

Podział ze względu na technikę tworzenia obrazu:

•

grafika wektorowa

obraz rysowany jest za pomocą odcinków i łuków (plotery kreślące,
specjalne monitory CRT)

•

grafika rastrowa

obraz budowany jest z siatki blisko siebie leżących punktów (pikseli)
w celu wyświetlenia na monitorze lub wydrukowania na drukarce

Elementy grafiki komputerowej

Grafika komputerowa – klasyfikacja (2)

Podział ze względu na sposób reprezentacji danych w programach
komputerowych:

•

grafika wektorowa

obraz składa się z figur geometrycznych, które zakodowane są w postaci

obraz składa się z figur geometrycznych, które zakodowane są w postaci
parametrycznej

zaletą tej reprezentacji jest możliwość dowolnego powiększania obrazów,
bez utraty ich jakości

•

grafika rastrowa

do zapamiętania obrazu rastrowego potrzebna jest dwuwymiarowa tablica
pikseli tzw. mapa bitowa (bitmapa)

Elementy grafiki komputerowej

Grafika komputerowa – klasyfikacja (3)

Podział ze względu na charakter danych:

•

grafika dwuwymiarowa (grafika 2D)

wszystkie elementy składające się na obraz są obiektami dwuwymiarowymi

wszystkie elementy składające się na obraz są obiektami dwuwymiarowymi
(płaskimi)

•

grafika trójwymiarowa (grafika 3D)

obiekty są umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej, a celem programu
komputerowego jest przedstawienie tego trójwymiarowego świata (tzw. sceny)
na dwuwymiarowym obrazie (np. ekranie monitora)

Elementy grafiki komputerowej

Grafika komputerowa – klasyfikacja (4)

Podział ze względu na cykl generacji obrazu:

•

grafika nieinterakcyjna

program wczytuje uprzednio przygotowane dane i na ich podstawie tworzy
wynikowy obraz

•

grafika interakcyjna

program na bieżąco uaktualnia obraz w zależności od działań użytkownika,
dzięki temu użytkownik może od razu ocenić skutki swoich działań (niezbędny
jest krótki czas odświeżania obrazu)

•

grafika czasu rzeczywistego

program musi bardzo szybko (kilkadziesiąt razy na sekundę) regenerować obraz,
aby wszelkie zmiany były natychmiast uwidocznione (np. symulatory lotu,
gry komputerowe)

Elementy grafiki komputerowej

Światło widzialne

Światło widzialne – promieniowanie elektromagnetyczne rejestrowane przez ludzkie oko

Zakres długości fal światła widzialnego

od ok. 380nm (fiolet)

do ok. 700nm (czerwień)

1 nm=10

–9

m

Elementy grafiki komputerowej

Budowa ludzkiego oka

Twardówka

Gałka oczna

średnica: 16 mm (noworodek), 24 mm (dorosły człowiek)

Twardówka

biała, nieprzeźroczysta warstwa ochronna, nadająca kształt
gałce ocznej, grubość 0,5–1,0 mm

Rogówka

przeźroczysta część twardówki

Siatkówka

receptory (czopki i pręciki)

Plamka żółta składa się tylko z czopków, średnica plamki 2–3 mm
Soczewka

ogniskowa 19–23 mm, n=1,41

Tęczówka

pełni rolę przysłony

Ciało szkliste n=1,33

Elementy grafiki komputerowej

Oko – percepcja obrazu

Obraz (odwrócony) powstaje na siatkówce

Percepcja obrazu następuje dzięki receptorom dwóch rodzajów:

•

czopki (ok. 6 mln) są odpowiedzialne za widzenie dzienne

czopki pozwalają na rejestracją wrażeń barwnych i rozróżnianie odcieni barwnych
– do pobudzenia wymagają dużej ilości światła

•

pręciki (ok. 120 mln) są odpowiedzialne za widzenie w złych

warunkach oświetlenia (widzenie nocne)

pręciki pozwalają na rejestrację tylko odcieni szarości – do pobudzenia wystarczy
im wielokrotnie mniej światła w porównaniu z czopkami

Czopki i pręciki zostały odkryte przez Maxa Schultza w 1866 roku

Elementy grafiki komputerowej

Oko – akomodacja

Akomodacja oka – proces przystosowania się oka do
uzyskania najlepszego odbioru obrazu polegający na:

•

zmianie ułożenia gałki ocznej tak, by obraz

•

zmianie ułożenia gałki ocznej tak, by obraz

padał na najczulszy obszar oka (plamkę żółtą)

•

regulacji ostrości (zmiana krzywizny soczewki,

zmiana otworu źrenicy)

Elementy grafiki komputerowej

Barwa – definicja

Barwa – wrażenie wzrokowe wywołane
w mózgu przez promieniowanie widzialne

w mózgu przez promieniowanie widzialne
(światło) padające na receptory wewnątrz
oka

Termin barwa używany jest w kolorymetrii, technice świetlnej i grafice komputerowej

Nie zaleca się stosowania terminu kolor w znaczeniu barwa

Elementy grafiki komputerowej

Atrybuty barwy

Odcień barwy (ton, walor)

Wrażenie związane z konkretną długością fali

Nasycenie

„mieszanie” z barwą białą (skala od 0 do 100 %)

„mieszanie” z barwą białą (skala od 0 do 100 %)

Jasność (luminancja)

Wrażenie związane z wielkością strumienia
świetlnego (skala umowna od 0 do 1)

Barw achromatyczne

– biel, czerń oraz wszystkie barwy występujące między nimi. Są to barwy w pełni nienasycone

Barwy chromatyczne

– wszystkie pozostałe barwy (o nasyceniu większym od zera)

Elementy grafiki komputerowej

Mieszanie barw

Mieszanie addytywne jest mieszaniem świateł
(mieszaniem promieniowania)

Jeśli do oka wpadają dwa rodzaje promieniowania
o różnych odcieniach barwnych, to wrażenie sumaryczne
jest wypadkową obu składników

Przykładem takiego mieszania jest oświetlenie sceny
teatralnej reflektorami z różnymi filtrami

Wypadkowa mieszania addytywnego dąży do bieli

Mieszanie subtraktywne jest mieszaniem farb

Farba jest substancją pochłaniającą składowe
promieniowania o określonej długości fali.
Np. farba niebieska pochłania wszystkie składowe oprócz
niebieskiej. Jeśli oświetlimy niebieską powierzchnię
światłem białym, to odbije ona tylko promieniowanie
niebieskie i taką barwę postrzegamy

Wypadkowa mieszania subtraktywnego dąży do czerni

Barwy dopełniające to dwie takie barwy, których mieszanie addytywne daje biel, a subtraktywne czerń

Elementy grafiki komputerowej

Teoria postrzegania barw Younga-Helmholtza

Założenie: wrażenia barwne są odbierane w oku przez trzy rodzaje
niezależnych receptorów (tzw. teoria trójpobudzenia), a każdy
receptor związany jest z inną długością fali:

•

czopki „niebieskie”

437 nm

•

czopki „niebieskie”

437 nm

•

czopki „zielone”

533 nm

•

czopki „czerwone”

564 nm

Wrażenie barwne jest wynikiem mieszania barw składowych

Thomas Young (1773–1829) – angielski fizyk i lekarz fizjolog

Hermann von Helmholtz (1821–1894) – niemiecki lekarz, fizjolog, fizyk i filozof

Elementy grafiki komputerowej

Percepcja barw przez człowieka (1)

Percepcja barw – złożony proces, w którym biorą udział nie tylko
receptory siatkówki ale także mózg

Na odbiór wrażeń wzrokowych mają także wpływ:

– pamięć
– zdobyte doświadczenie

– zdobyte doświadczenie
– czynniki kulturowe

Percepcja barw jest procesem subiektywnym, tzn.

– każdy człowiek postrzega barwy w inny sposób

– mogą wystąpić minimalne różnice w odbiorze między okiem

prawym i lewym

Elementy grafiki komputerowej

Percepcja barw przez człowieka (2)

Procesy niezbędne do tego aby postrzegać barwy:

•

emisja światła (proces fizyczny)

Elementy grafiki komputerowej

•

pobudzenie receptora siatkówki (proces fizjologiczny)

•

wytworzenia wrażenia wzrokowego (proces psychofizyczny)

Percepcja barw przez człowieka (3) – problem sąsiedztwa barw

Kwadrat niebieski wydaje się
ciemniejszy lub jaśniejszy
w zależności od tła na jakim
się znajduje

Kwadrat szary „uzyskuje”
barwę w zależności od tła
na jakim się znajduje

Elementy grafiki komputerowej

Prawa Grassmana

•

Zasada trójchromatyczności

Każdą dowolną barwę można przedstawić za pomocą trzech składowych – barw

podstawowych

•

Elementy grafiki komputerowej

•

Zasada ciągłości

Jeśli mamy do czynienia z mieszaniną dwóch barw, to ciągła zmiana jednej składowej

powoduje ciągłą zmianę mieszaniny

•

Zasada addytywności

Barwa mieszaniny nie zależy od jej składu widmowego tylko od barw składników