(Microsoft Word - Wyk\263ad_Grafika wektorowa i rastrowa.doc)

Grafika wektorowa, grafika rastrowa

Grafika  wektorowa:  sposób  opisu  obrazu  oparty  na  formułach
matematycznych.  Zachowuje informacje o tworzących kształty obiektów
liniach i krzywych.
-  stała  jakość  obrazu  niezależnie  od  tego,  w  jakiej  skali  zostanie  on

wyświetlony;

- mniejsza w porównaniu z formatami zapisu rastrowego (JPG, BMP,

GIF) wielkość plików zarówno w przypadku statycznych obrazów jak i
animowanych;

- większa kontrola nad kształtem i położeniem modelowanych obiektów;
- możliwość modyfikacji poszczególnych obiektów obrazu niezależnie

od pozostałych.

Programy do tworzenia grafiki wektorowej:
-  Adobe Ilustrator
-  Corel Draw
-  Deneba Canvas
-  Creature House Expresion
-  Macromedia Freehand
-  Xara
-  Micrograf Designer

Formaty zapisu grafiki wektorowej:
-  EPS (Encapsulated Postscript)
-  WFM (Windows Metafile)
-  CDR (Corel Draw)
-  DRW (Micrograf Designer)
-  DXF (programy CAD)
-  HPGL (plotery)

Urządzenia grafiki wektorowej: (plotery, grafoskopy, monitory

wektorowe)

- urządzenia realizujące grafikę wektorową wykorzystują 3 i 4 klasę

danych obrazowych;

- rozkazy elementarne:

p(x,y) - ustaw plamkę świetlną (rysującą) w punkcie (x,y)
s(z)

– ustaw jasność (kolor) zgodnie z wartością z

- sekwencja rozkazów S odpowiada za wyświetlenie (narysowanie)

pojedynczego obiektu;

- program sterujący wyświetlaniem obrazu na lampie CRT:

start:

S1, S2, . . . , Sn

- sekwencje rozkazów

if brak przerwania then go to start

else zmień sekwencję

go to start

end.

Aby  zmodyfikować  obraz  należy  zmienić  odpowiednią  sekwencję.
Zmiana  obrazu  sygnalizowana  jest  poprzez  przerwanie.  Wykonanie
pojedynczej  pętli  odpowiada  za  odnowienie  (odświeżenie)  zawartości
ekranu.  Częstotliwość  odświeżania  jest  odwrotnie  proporcjonalna  do
długości  pętli.  Jeżeli  czas  wykonania  pętli  jest  dłuższy  od  czasu
fluorescencji  (poświaty)  ekranu  to  występuje  zjawisko  migotania  i
rozmycia ekranu. Stąd istnieje górna granica długości pętli a tym samym
złożoności wyświetlanego obrazu.
-  czas fluorescencji: 0.02 - 0.05 sek
-  częstotliwość odświeżania: 20 – 50 razy/sek.
-  rozdzielczość 4096x4096
-  zobrazowanie monochromatyczne o poświacie białej, zielonej lub

czerwonej;

- lampy pamięciowe: brak ograniczeń na złożoność wyświetlanego

obrazu.

Generowanie obrazów kolorowych

na monitorze wektorowym

Poprzez zmianę energii strumienia elektronów regulowana jest głębokość
przenikania  luminoforu.  W  różnym  stopniu  pobudzane  są  do  świecenia
warstwy  luminoforu  odpowiadające  za  emisję  światła  zielonego  (G)  i
czerwonego  (R).  W  wyniku  mieszania  nasycenia  i  barwy  świecenia
dwóch  warstw  można  uzyskać  4  dobrze  rozróżnialne  kolory:  czerwony,
pomarańczowy, żółty i zielony.

R G

Strumień elektronów

Luminofor

zielony

żółty

pomarańczowy

czerwony

Monitory z lampą pamięciową

Rys. Schemat budowy lampy pamięciowej

-  nie są narażone na migotanie i rozmycie złożonych obrazów;
-  informacje o obrazie przechowuje się w samej lampie;
-  konwencjonalna wyrzutnia elektronów zapisuje obraz nie bezpośrednio

na  luminoforze  ekranu,  ale  na  powierzchni  pamięciowej  utworzonej  z
materiału  dielektrycznego  naniesionego  na  metalową  siatkę  (siatka
powierzchni  pamiętającej).  Następuje  to  poprzez  zmianę  potencjału
powierzchni pamięciowej.

- dodatkowa wyrzutnia elektronów emituje rozproszony strumień

elektronów o małej energii pokrywający cały ekran. Strumień ten
ukierunkowany jest prostopadle do ekranu i przechodzi tylko przez te
oczka powierzchni pamięciowej, w których zmieniono potencjał -
pobudzając w tych miejscach luminofor do świecenia.

- niemożność

dokonywania

modyfikacji

wyświetlonego

obrazu.

Dodawanie  nowych  elementów  jest  możliwe,  natomiast  usuwanie
nawet  pojedynczego  elementu  wymaga  wygaszenia  całego  ekranu
przez  odprowadzenie  potencjału  z  oczek  siatki  pamięciowej  i
narysowanie na niej od początku zmodyfikowanego rysunku.

- urządzenia takie umożliwiają tworzenie bardzo złożonych statycznych

rysunków, nie nadają się do pracy interakcyjnej.

Konwencjonalna

wyrzutnia

elektronów

Warstwa luminoforu

(ekran)

Siatka powierzchni

pamięciowej

Kolektor

Wyrzutnia wolnych
elektronów

Grafika  rastrowa  (grafika  bitmapowa):  obrazy  tworzone  są  z
położonych  regularnie  obok  siebie  pikseli.  W  pikselach  zawarta  jest
informacja  o  kolorze  lub  o  jasności  (obrazy  monochromatyczne)  danego
punktu  obrazu.  Tworzone  w  ten  sposób  obrazy  nazywane  są  mapami
bitowymi.

Mapa  bitowa  (ang.  bit  map):    sposób  zapamiętania  obrazu  przy
wykorzystaniu  pikseli  ułożonych  w  rzędy  i  kolumny.  Każdy  piksel  jest
opisany za pomocą określonej liczby bitów. Najczęściej wykorzystywane
są mapy:
-  1-bitowe: obrazy biało-czarne;
-  8-bitowe: możliwość uzyskania 256 kolorów lub odcieni szarości;
-  16-bitowe: 65 536 kolorów
-  24-bitowe:  True Color (16 777 216 kolorów)

Rozdzielczość obrazu rastrowego:
-  rozdzielczość  liniowa:  liczba  pikseli  przypadająca  na  jednostkę

powierzchni;

- rozdzielczość w przestrzeni kolorów: liczba bitów opisująca

pojedynczy piksel;

Im wyższa jest rozdzielczość obrazu, tym większy jest jego plik.
Wielkość pliku opisującego obraz można wyznaczyć z zależności:

W = K * L * P

gdzie:
-  W – wielkość pliku wyrażona w bajtach
-  K - liczba pikseli w pionie;
-  L -  liczba pikseli w poziomie;
-  P -  liczba bajtów opisująca piksel

Przetwarzanie map bitowych wymaga odpowiedniej ilości pamięci RAM
w  komputerze.  Przy  powiększaniu  mapy  bitowej  występuje  efekt
powiększenia  piksela.  Objawia  się  to  widocznymi  na  ekranie  monitora
lub  wydruku  efektami  schodkowymi  –  występuje  utrata  ostrości  obrazu.
Inną  wadą  obrazów  rastrowych  jest  brak  możliwości  operowania  na
fragmentach obrazu.

Urządzenia grafiki rastrowej: (drukarki, skanery, monitory rastrowe)
- urządzenia realizujące grafikę rastrową wykorzystują 1 i 2 klasę

danych obrazowych;

- urządzenia posiadają integralną pamięć (pamięć graficzna, pamięć

ekranu);

- pojedyncza komórka pamięci przechowuje atrybuty pojedynczego

adresowalnego punktu obrazu;

- rozkazy elementarne:

   read(I,x,y,z) – czytaj komórkę pamięci I o adresie (x,y) oraz określ z
                            na podstawie zawartości I;
   write(x,y,z) – pisz w punkcie o współrzędnych (x,y) wartość
jasności

(koloru) określoną przez z.

- program sterujący wyświetlaniem (drukowaniem) obrazu:

start:

for I:=1 to ilość pikseli do

begin
read(I,x,y,z);
write(x,y,z);
end;

go to start;

end.

Pojęcia związane z urządzeniami grafiki rastrowej:
-  częstotliwość odświeżania (odczytu pamięci ekranu): 50-100 Hz;
-  pasmo przenoszenia sygnału wizji VBW (ang. Video Band Width);
-  synchronizacja pionowa i pozioma VSYNC, HSYNC;
-  pamięć graficzna, pamięć ekranu (obrazu);
-  stronicowanie pamięci graficznej;
-  system okien, atrybuty okna;
-  rozkazy graficzne.

Grupy zasadniczych parametrów kart graficznych

1. Ogólne właściwości funkcjonalne:

a. rozdzielczość zobrazowania:

- rozdzielczość liniowa
- rozdzielczość w przestrzeni kolorów

b.  dostępna paleta barw;
c.  ilość dostępnych stron obrazowych;
d.  szybkość tworzenia obrazów w pamięci graficznej.

2. Współpraca z urządzeniem zobrazowującym:

a.  pasmo przenoszenia sygnału wizji;
b.  częstotliwość odświeżania obrazu;
c.  sposób wyświetlania obrazu:

- kolejnoliniowe
- międzyliniowe (ang. interlace)

d. częstotliwość synchronizacji linii;
e. standard elektryczny sygnałów wizji:

- RGB TTL
- RGB Analog

f. standard elektryczny sygnałów synchronizacji:

- Separate Sync.
- Composite Sync.
- Sync. On Green

g. standard mechaniczny połączenia karty z monitorem:

- złącza DB (D-SUB):

DB 9, DB 15, MINI DB 15

- złącza BNC:

5 x BNC (R, G, B, H, V)

4 x BNC (R, G, B, CS)

3 x BNC (R, Sync on Green, B)

3. Środowisko sprzętowo-programowe

a.  zgodność z magistralą komputerów określonej klasy;
b.  sposób wykorzystania przerwań programowych i sprzętowych;
c.  przestrzeń adresowa portów WE/WY;
d.  wielkość i przestrzeń adresowa pamięci: pamięć graficzna,

pamięć Video-Biosu, pamięć operacyjna

e. dostępność kompilatorów i bibliotek programowych

wykorzystujących w pełni właściwości karty.

Przykład: złącza DB (D-SUB)

Złącze MINI DB 15 (HIGHDENSITY D-SUB 15)

Karty graficzne:

VGA (Video Graphics Adapter)

SVGA (Super Video Graphics Adapter)

TIGA (Texas Instruments Graphics Adapter)

Sygnał wizji: analogowy (75 ohm, 0.7 Vp-p)

Sygnały synchronizacji:

TTL

(od strony karty graficznej 15 PIN FEMALE)

(od strony kabla do monitora 15 PIN MALE)

Pin

Nazwa sygnału

Dir

Opis

RED

Red Video

GREEN

Green Video

BLUE

Blue Video

ID2

Monitor ID Bit 2

GND

Ground

RGND

Red Ground

GGND

Green Ground

BGND

Blue Ground

SGND

Sync Ground

ID0

Monitor ID Bit 0

ID1

Monitor ID Bit 1

HSYNC/CSYNC

Horizontal Sync/Composite Sync

VSYNC

Vertical Sync

ID3

Monitor ID Bit 3

Złącze DB 9 (D-SUB 9)

Karty graficzne:

EGA, EGA-High (Enhanced Graphics Adapter)

Sygnał wizji: TTL, 16/64 kolory

Sygnały synchronizacji:

TTL

(od strony karty graficznej 9 PIN FEMALE)

(od strony kabla do monitora 9 PIN MALE)

Pin

Nazwa sygnału

Dir

Opis

GND

Ground

SECONDARY RED

Red Video bit 1

PRIMARY RED

Red Video bit 0

PRIMARY GREEN

Green Video bit 0

PRIMARY BLUE

Blue Video bit 0

SECONDARY GREEN/
INTENSITY

Green video bit 1/intensywność

SECONDARY BLUE

Blue Red Video bit 1

HSYNC

Horizontal Sync

VSYNC

Vertical Sync

Przykład: złącza BNC (złącza koncentryczne)

TYP

OPIS

3 x BNC

1.  RED
2.  SYNC on GREEN
3.  BLUE

4 x BNC

1.  RED
2.  GREEN
3.  BLUE
4.  COMPOSITE SYNC

4 x BNC

1.  RED
2.  GREEN
3.  BLUE
4.  HORIZONTAL SYNC
5.  VERTICAL SYNC

adapter

3 x BNC do HD DB15

adapter

4 x BNC do HD DB15

adapter

5 x BNC do HD DB15

Różnice między grafiką wektorową a grafiką rastrową: są szczególnie
widoczne podczas skalowania (zmiany rozmiaru) rysunku lub obiektu.

Przykład: powiększenie rysunku

Literka "a" po powiększeniu o 700% w rysunku rastrowym i wektorowym

grafika rastrowa

grafika wektorowa

Wektorowa literka "a" nie straciła nic ze swojej jakości.

Utrata jakości w rysunku rastrowym. Rzucające się w oczy duże punkty

oraz postrzępiona linia.

W  rysunku  rastrowym  odcinek  jest  zapamiętany  z  określonej  liczby
punktów,  po  powiększeniu  punkty  stają  się  duże,  a  jest  ich  tyle  samo.
W  rysunku  wektorowym  odcinek  jest  zapamiętywany  jako  zbiór  dwóch
punktów  (początkowy  i  końcowy)  o  określonych  współrzędnych.
Następnie program oblicza pośrednie punkty ze wzoru matematycznego i
wyświetla je na ekranie. Powiększenie odcinka w tym  przypadku polega
na  obliczeniu  nowych  współrzędnych  dla  obu  punków  i  na  obliczeniu
punktów pośrednich. Grubość odcinka nie zmienia się.

Przykład: pomniejszenie rysunku

W  przypadku  rysunku  rastrowego  są  brane  pod  uwagę  punkty  leżące
obok  siebie  i  na  podstawie  ilości  czarnych  i  białych  punktów  jest
obliczany  punkt  wynikowy.  Tak  więc  podczas  pomniejszania  do
rozmiaru  1/10  oryginalnej  wielkości  branych  jest  pod  uwagę.100
punktów (matryca 10 punktów w pionie i 10 punktów w poziomie). Jeżeli
np.  49  punktów  jest  czarnych,  a  51  punktów  jest  białych,  to  zostanie
dobrany  punkt  biały.  Stracimy  więc  bardzo  dużo  szczegółów
oryginalnego rysunku. W przypadku grafiki wektorowej są tylko na nowo
obliczane współrzędne obiektów, a dopiero potem jest rysowany obiekt o
identycznej grubości co poprzedni.

grafika rastrowa

grafika wektorowa

Rysunek  wektorowy  nie  uległ  pogorszeniu.  W  przypadku  rysunku
rastrowego  literka  "a"  wygląda  dobrze  dlatego,  że  oryginalna  literka  jest
bardzo  gruba,  więc  podczas  obliczania,  okazuje  się,  że  jest  bardzo  dużo
czarnych punktów. Znacznie gorzej wygląda elipsa i odcinek, które były
cienkie.  Przy  pomniejszaniu  zostało  "zgubionych"  wiele  punktów.
Powyższe  rysunki  zostały  pomniejszone  do  1/3  swoich  oryginalnych
rozmiarów,  przy  znaczniejszym  pomniejszeniu  nie  można  by  się  było  w
ogóle zorientować co to za kształt.