Когда мы смотрим на двумерное изображение какой-либо трехмерной сцены (на картине, фотографии, экране монитора), нам кажется, что там непосредственно присутствуют все те предметы, которые мы могли бы увидеть, если бы непосредственно наблюдали ту же сцену в жизни. Между тем, все, что нам на самом деле дано в двумерном изображении, это $\textit{видимое поле}$, представляющее собой лишь некоторую $\textit{функцию распределения яркости}$ или $\textit{цвета}$ на двумерной плоскости: $f(x,y)$, где $x$ и $y$ - декартовы координаты, описывающие плоскость изображения.}
Более того, если приблизиться вплотную к экрану компьютерного монитора, можно увидеть, что изображение на экране на самом деле не гладкое и непрерывное, а представляет собой дискретную "мозаику", состоящую из отдельных цветных прямоугольников, расположенных в виде регулярной прямоугольной матрицы. Это и есть цифровое изображение. С математической точки зрения $\textit{цифровое изображение}$ представляет собой двумерную матрицу Im$$ размера $ \textrm{DimX} \times \textrm{DimY}$, где $x$ - целое число от $0$ до $ \textrm{DimX} - 1$, описывающее номер элемента в строке матрицы, $y$ - целое число от 0 до $ \textrm{DimY} - 1$, описывающее номер строки матрицы, в которой расположен данный элемент. При этом сам элемент цифрового изображения (ячейка прямоугольной матрицы) носит название $\textit{пиксел}$ (pixel, picture element). В простейшем случае каждый пиксел Im$$ имеет скалярное целочисленное значение, пропорциональное значению функции распределения яркости $f(x,y)$ в данной точке плоскости.
На рис. 1 слева показано изображение женского лица, представленное как изображение, а справа показан увеличенный фрагмент изображения того же лица (правый глаз), где для каждого элемента изображения указано соответствующее числовое значение пиксела. Светлым элементам изображения соответствуют б {о}льшие значения матрицы, темным - меньшие значения. Никакой другой информации цифровое изображение не содержит.
Цифровое изображение как двумерная матрица интенсивностей
Начиная изучать машинное зрение, необходимо четко представлять себе, что в компьютере в качестве цифрового изображения хранится только и исключительно двумерный массив чисел того или иного формата. Любые другие данные, которые мы хотели бы из изображения извлечь (фигуры, линии, объекты, размеры, содержание изображенного текста и т. д. и т. п.) - могут быть получены лишь в результате применения ряда процедур обработки и анализа изображения, которые мы должны либо сами запрограммировать, либо использовать готовые процедуры, имеющиеся в известных пакетах программ для анализа изображений. При этом для решения простых задач компьютерного зрения готовые средства наверняка найдутся в стандартных библиотеках процедур обработки изображений, для решения задач посложнее необходимо будет скомбинировать те или иные готовые процедуры, а для многих вполне "обыденных" задач, которые "биологическое" зрение человека, казалось бы, решает легко и играючи, компьютерное машинное зрение до сих пор решений не имеет и все еще продолжает их искать. Ведь используя свое естественное зрение, человек легко ориентируется в любой обстановке, узнает предметы, выбирает путь, управляет автомобилем и многое, многое другое. Почему же компьютер, получающий изображение от видеокамеры, всего этого не может? Может быть, дело в строении человеческого глаза?
На самом деле человеческий глаз, как и видеокамера, всего лишь формирует "видимое поле", аналогичное цифровому изображению. При этом оптическая система, состоящая из зрачка и хрусталика, проецирует двумерное изображение на сетчатку глаза, где фоточувствительные клетки ("палочки" и "колбочки") преобразуют полученное изображение в нервные импульсы. И только после этого сложный механизм обработки полученной информации, функционирующий в соответствующем отделе нашего мозга, интерпретирует эти импульсы как понятное нам изображение видимой сцены. Таким образом, и у человека функцию "видения" выполняет не один только глаз, но система "$\mbox{глаз} + \mbox{мозг}$" ("$\mbox{сенсор} + \mbox{компьютер}$"). Именно встроенные в мозг алгоритмы обработки информации позволяют человеку понимать то, что он видит. Роль этих встроенных алгоритмов можно пояснить на следующем примере.
Когда в середине XX века хирурги-офтальмологи научились делать операции на хрусталике глаза, у многих слепых от рождения людей появилась техническая возможность прозреть. То есть после такой операции у человека, доселе слепого (свет просто не проходил через хрусталик), изображение на сетчатке начинало формироваться и соответствующие сигналы начинали поступать в мозг совершенно так же, как это происходит у здоровых людей. К сожалению, в данном случае "увидеть свет" не означало "начать видеть". Как показала дальнейшая история, большинство "технически прозревших" взрослых пациентов так никогда и не смогли достичь в области зрения более существенных результатов, чем распознавание простых геометрических фигур - и даже это требовало от них серьезных сознательных усилий. Узнавание же людей по лицам и ориентирование в пространстве так и остались для них непосильными задачами. Дело в том, что те встроенные механизмы "автоматического" зрительного анализа, которые развиваются у людей в раннем детстве, у этих пациентов не были своевременно развиты, и они оказались в положении компьютера, имеющего устройство для ввода изображения, но не имеющего необходимого программного обеспечения для его анализа.
Для того чтобы окончательно убедиться в сложности стоящей перед нами задачи анализа изображения, представляющего собой двумерный массив числовых данных, попробуем поставить себя на место компьютерной программы, имеющей дело с абстрактными числами. Для этого мысленно изменим модальность восприятия изображения - переведем его из визуальной области в тактильную. Представим двумерный массив значений интенсивности как шахматную доску, размер которой равен размеру изображения $ \textrm{DimX} \times \textrm{DimY} $, а в центр каждой клетки воткнут столбик, высота которого пропорциональна значению соответствующего пиксела изображения. Иными словами, рассмотрим двумерное изображение как некую условную трехмерную поверхность. На рис. 2 слева фрагмент женского лица показан как изображение, а справа изображен как псевдотрехмерный рельеф.
Цифровое изображение как псевдотрехмерный рельеф
Теперь представьте себе, что вы должны, не глядя на изображение, ощупать соответствующий ему "рельеф" и постараться определить, что именно этот "рельеф" изображает - дом, собаку или человеческий глаз? Как показывают эксперименты, средний человек не в состоянии справиться с подобной задачей. Даже распознавание простейших геометрических фигур в подобном "рельефном" представлении будет связано со значительными усилиями и потребует сознательной выработки специального навыка, стратегии и алгоритмов ощупывания. Такова, несмотря на кажущуюся простоту объекта "цифровое изображение", истинная сложность задач компьютерного и машинного зрения.
По способам задания изображений графику можно разделить на категории:
Двухмерная графикаДвухмерная (2D - от англ. two dimensions - «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.
Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, кривые некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.
Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop.
Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.
Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение - яркости, цвета, прозрачности - или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.
Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается «красивым» видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.
В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.
Фрактальная графика, как и векторная - вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.
Трёхмерная графика (3D - от англ. three dimensions - «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.
В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.
Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы
В компьютерной графике используется три вида матриц:
матрица поворота
матрица сдвига
матрица масштабирования
Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного.
]Первые вычислительные машины 40-х годов XX-века ("ABC" (1942), "ENIAC"(1946), "EDSAC" (1949), "МЭСМ" (1950)), разрабатывались и использовались строго для расчетов и не имели отдельных средств для работы с графикой. Однако уже тогда некоторые энтузиасты пытались использовались эти ЭВМ первого поколения на электронных лампах для получения и обработки изображений. Программируя память первых моделей ЭВМ и устройств вывода информации, построенных на основе матрицы электрических ламп, можно было получать простые узоры. Лампы накаливания включались и отключались в определенном порядке, образуя изображения различных фигур.
В конце 40-х и начале 50-х годах , в многих компьютерах стали использовать электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в виде осциллографов, или трубок Вильямса , которые использовались как оперативная память. Теоретически, записывая 0 или 1 в определенном порядке в такую память, на экране можно было отобразить какое-нибудь изображение, но на практике это не использовалось. Однако в 1952 году британский инженер Александр Дуглас (Alexander Shafto "Sandy" Douglas ) написал шуточную программу "OXO " (Крестики-нолики) для программируемого компьютера EDSAC (1949г.), ставшей в истории первой компьютерной игрой. Изображение решетки и нолики с крестиками строилось путем программирования трубки Вильямса или прорисовывалось на соседнем ЭЛТ.
В 50-х годах вычислительные возможности компьютеров и графические возможности периферийных средств не позволяли рисовать высоко детализированные изображения, но давали возможно осуществить посимвольный вывод изображений на экраны мониторов и типовых принтеров. Изображения на этих устройствах строились из алфавитно-цифровых символов (символьная графика , позже пришло название ASCII-графика и ASCII-Art ). Всё просто: разница в плотности алфавитно-цифровых знаков и особенности человеческого зрения: не воспринимать детали изображения c большого расстояния, позволила создавать на компьютере рисунки и псевдографические объекты. Подобные изображения до появления компьютеров на бумаге создавали машинистки на печатных машинках в конце 19 века.
В 1950 году энтузиаст Бенджамин Лапоски (Ben Laposky ), математик, художник и чертежник, начал экспериментировать с экраном осциллографа, создавая сложные динамичные фигуры - осцилионы . Танец света создавался сложнейшими настройками на этом электронно-лучевом приборе. Для запечатления изображений применялись высокоскоростная фотография и особые объективы, позже были добавлены пигментированные фильтры, наполнявшие снимки цветом.
В 1950 году в военном компьютере Whirlwind-I (по русс. Вихрь, Ураган), встроенный в систему SAGE противовоздушной обороны США, впервые был применён монитор - как средство отображения визуальной и графической информации. [ ]
В 1955 году в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT) было изобретено световое перо (Light pen) . Световое перо является светочувствительным устройством ввода компьютера, в основном наутилусом, который используется для выбора текста, рисования изображений и взаимодействия с элементами пользовательского интерфейса на экране компьютера или монитора. Перо хорошо работает только с ЭЛТ(CRT)-мониторами из-за того, как такие мониторы сканируют экран, который является одним пикселем за раз, что дает компьютеру способ отслеживать ожидаемое время сканирования электронным лучом и определять положение пера на основе последней метки времени сканирования. На кончике пера находится фотоэлемент, испускающий электронный импульсы и одновременно реагирующий на пиковое свечение, соответствующее моменту прохода электронного луча. Достаточно синхронизировать импульс с положением электронной пушки, чтобы определить, куда именно указывает перо.
Световые перья вовсю использовались в вычислительных терминалах образца 1960-х годов. С появлением ЖК (LCD)-мониторов в 90-х практически перестали использоваться, так как с экранами этих устройств работа светового пера стала невозможной.
В 1957 году инженер Рассел Кирш (Russell A. Kirsch ) из Национального бюро стандартов США изобрел для компьютера SEAC первый сканер и получил на нём первое цифровое изображение - скан-фото маленького ребенка, собственного сына Уолдена (анг. Walden). [ ]
В 60-е годы XX-века начался реальный расцвет компьютерной графики . С приходом новых высокопроизводительных по тем меркам компьютеров с мониторами на основе транзисторов (2-е поколение ЭВМ) и позже микросхем (3-е поколение ЭВМ) машинная графика стала не только сферой энтузиастов, но серьезным научно-практическим направлением развития компьютерных технологий. Появились первые суперкомпьютеры (СВС 6600 и Cray-1 ) позволившие работать не только с быстрыми вычислениями, но с компьютерной графикой на новом уровне.
В 1960 году инженер-дизайнер Ульям Феттер (William Fetter ) из авиастроительной корпорации Боинг (англ. Boeing) впервые ввел термин "Компьютерная графика" . Феттер, рисуя дизайн кабины пилотов самолета на рабочем компьютере, решил в технической документации описать род своей деятельности. В 1964 году Ульям Феттер также создал на компьютере проволочную графическую модель человека и назвал ее "Человек Боинга", он же "Первый человек", которую позже использовали в телерекламе 60-х годов.
В 1962 году программист Стив Рассел (Steve Russell ) из МТИ на компьютере DEC PDP-1 создал отдельную программу с графикой - компьютерную игру «Spacewar! ». Создание игры заняло около 200 человеко-часов . Игра была использовала джойстик и обладала интересной физикой с симпатичной графикой. Однако первой компьютерной игрой но без графики можно считать программу Александра Дугласа "OXO" (Крестики-нолики, 1952)
В 1963 году на основе компьютера "TX-2 " американский инженер-программист из МТИ, пионер компьютерной графики, Айвен Сазерленд (Ivan Edward Sutherland ) создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad , который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке световым пером . Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор , реализованный на компьютере, ставшим прообразом современных САПР (систем автоматизированного проектирования), например современных AutoCAD или Компас-3D. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, вышедшем за 10 лет до компьютера Xerox Alto (1973г.), причём она являлась таковой ещё до появления самого термина. Айвен Сазерленд в 1968 году создал прообраз первого компьютерного шлема виртуальной реальности, назвав его "Дамокловым мечом" по аналогии с древнегреческой легендой.
В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину (графопостроитель ).
В 1963 году программист из Bell Labs Эдвард Зейджек (Edward E. Zajac ) сделал первую компьютерную анимацию - движение спутника вокруг Земли . Анимация демонстрировала теоретический спутник, который использовал гироскопы, чтобы поддерживать свою ориентацию относительно Земли. Вся компьютерная обработка была сделана на компьютерах серий IBM 7090 или 7094 с использование программы ORBIT. [ ]
В последующие годы выходят и другие, но более сложные и значимые анимации: "Tesseract" (Тессеракт он же гиперкуб, 1965г.) Майкла Нолла из «Bell Labs», "Hummengbird" (Колибри, 1967г.) Чарльза Цури и Джеймса Шаферса, "Кошечка" (1968г.) Николая Константинова, "Metadata" (Метаданные, 1971г.) Питера Фолдерса и т..д.
В 1964 году выпущен IBM 2250 , первый коммерческий графический терминал для мейнфрейма IBM/360.
В 1964 году компания General Motors совместно с IBM представила систему автоматизированного проектирования DAC-1.
В 1967 году профессор Дуглас Энгельбарт (Douglas Carl Engelbart ) сконструировал первую компьютерную мышь (указатель XY-координат) и показал ее возможности на выставке в городе Сан-Франциско в 1968 году.
В 1967 году сотрудник IBM Артур Аппель описывает алгоритм удаления невидимых ребер (в том числе и частично скрытых), позднее названный лучевым кастингом , отправной точкой современной 3D-графики и фотореализма.
В том же 1968 году [ ] существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее , электронно-лучевой трубке . Появились первые растровые мониторы.
В 70-х годах компьютерная графика получила новый рывок в развитии. Появились первые цветные мониторы и цветная графика. Суперкомпьютеры с цветными дисплеями стали использоваться для создания спецэффектов в кино (фантастическая эпопея 1977 года "Звездные войны " режиссера Джорджа Лукаса, фантастический ужастик "Чужой" (анг. "Alien") киностудии XX-век Fox и режиссера Ридли Скотта , и позже недооцененный научно-фантастический фильм 1982 года «Трон» (англ. Tron) студии Walt Disney и режиссёра Стивена Лисбергера ). В этот период компьютеры стали еще более быстродействующими, их научили рисовать 3D-изображения, возникла трехмерная графика и новое направление визуализации - фрактальная графика. Появились персональные компьютеры с графическими интерфейсами, использующие компьютерную мышь (Xerox Alto (1973г.)).
В 1971 году математик Анри Гуро, в 1972 году Джим Блинн и в 1973 году Буй Туонг Фонг разработали модели затенения , позволившая графике выйти за рамки плоскости и точно отобразить глубину сцены. Джим Блинн стал новатором в области внедрения карт рельефа, техники моделирования неровных поверхностей. А Алгорим Фонга впоследствии стал основным в современных компьютерных играх.
В 1972 году пионер компьютерной графики Эдвин Катмулл (Edwin Catmull ) создал первое 3D-изображение - проволочную и текстурированную модель собственной левой руки.
В 1975 году французский математик Бенуа Мандельброт (Benoît B. Mandelbrot ), программируя компьютер модели IBM, построил на нем изображение результатов вычисления комплексной математической формулы (множество Мандельброта), и в результате анализа полученных повторявших закономерностей дал красивым изображениям название - фрактал (с лат. дробный, разбитый). Так возникла фрактальная геометрия и новое перспективное направление в компьютерной графике - фрактальная графика .
В конце 70-х годах , с появлением персональных компьютеров (4-го поколения - на микропроцессорах), графика с промышленных систем перешла на конкретные рабочие места и в дома простых пользователей. Зародилась индустрия видеоигр и компьютерных игр. Первым массовым персональным компьютером с цветной графикой стал ПК Apple II (1977г.), позже Apple Macintosh (1984г.)
В 80-х годах , с развитием видеосистемы персональных компьютеров IBM PC (1981г. ) графика становилась более детализированной и цветопередающей (повысилось разрешение изображений и расширилась цветовая палитра). Появились первые видеостандарты MDA, CGA, EGA,VGA, SVGA. Разработаны первые стандарты файловых графических форматов, например GIF (1987), Возникло графическое моделирование...
Текущее состояние [ | ] Основные области применения [ | ]Научная графика - первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.
Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчётная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.
Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трёхмерные изображения.
Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране монитора. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.
Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трёхмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объёмом вычислений. Передача освещённости объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчётов, учитывающих законы оптики.
Пиксель арт Пиксельная графика, большая форма цифрового искусства, создается с помощью программного обеспечения для растровой графики, где изображения редактируются на уровне пикселей. В увеличенной части изображения отдельные пиксели отображаются в виде квадратов и их легко увидеть. В цифровых изображениях пиксель (или элемент изображения) - это отдельная точка в растровом изображении. Пиксели размещаются на регулярной двумерной сетке и часто представлены точками или квадратами. Графика в большинстве старых (или относительно ограниченных) компьютерных и видеоигр, графические калькуляторные игры и многие игры для мобильных телефонов - в основном пиксельная графика.
Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчёты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Такая анимация называется мультипликация по ключевым кадрам . Так же существуют другие различные виды компьютерной анимации: процедурная анимация , шейповая анимация , программируемая анимация и анимация, где художник сам отрисовывает все кадры "вручную". Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определённой частотой, создают иллюзию движения.
Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.
Научная работа [ | ]Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции:
- конференция Siggraph , проводится в США
- конференции Eurographics , проводятся ассоциацией Eurographics ежегодно в странах Европы
- конференция Графикон , проводится в России
- CG-событие , проводится в России
- CG Wave 2008 , CG Wave, проводится в России
По способам задания изображений графику можно разделить на категории:
Двухмерная графика [ | ]Двухмерная (2D - от англ. two dimensions - «два измерения») компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.
Векторная графика [ | ]Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.
Растровая графика [ | ]Пример растрового рисунка
Фрактальная графика [ | ]
Фрактальное дерево
CGI графика [ | ]CGI (англ. computer-generated imagery , букв. «изображения, созданные компьютером») - изображения, получаемые компьютером на основе расчета и использующиеся в изобразительном искусстве , печати , кинематографических спецэффектах , на телевидении и в симуляторах . Созданием движущихся изображений занимается компьютерная анимация , представляющая собой более узкую область графики CGI.
Представление цветов в компьютере [ | ]Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.
Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле.
Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. ируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.
Реальная сторона графики [ | ]Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе - это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом, визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр(набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.
Мир трехмерен. Его изображение двухмерно. Важной задачей живописи и, теперь, фотографии является передача трехмерности пространства. Некоторыми приемами владели уже римляне, потом они были забыты и начали возвращаться в классическую живопись с Ренессансом.
Основной прием создания трехмерного пространства в живописи - перспектива. Железнодорожные рельсы, удаляясь от зрителя, визуально сужаются. В живописи рельсы можно физически сузить. В фотографии перспектива возникает автоматически: камера снимет рельсы такими же зауженными, как их видит глаз. Однако не допускайте почти смыкания: оно будет выглядеть уже не перспективой, а странной фигурой; между рельсами, сторонами улицы, берегами реки должен сохраняться заметный просвет.
Важно понимать, что линейная перспектива - наиболее примитивный, реалистичный способ передачи мира. Не случайно ее появление связано с театральными декорациями (Флоренский, “Обратная перспектива”). Условность, простота передачи театральной сцены небольшой глубины очень подходит для фотографии, лишенной разнообразия приемов, доступных в живописи.
Существуют перспективы, значительно более интересные, чем линейная. В работах китайских мастеров присутствует плавающая перспектива, когда объекты изображены одновременно снизу, сверху и спереди. Она не была технической ошибкой некомпетентных художников: легендарный автор этой техники, Guo Xi писал, что такое отображение позволяет осознать мир в его тотальности. Аналогична техника русской иконописи, в которой зритель может видеть лицо и спину персонажа одновременно. Интересным приемом иконописи, встречающимся также у западноевропейских художников, была обратная перспектива, в которой удаленные объекты, наоборот, крупнее близких, подчеркивая важность. Только в наши дни было установлено, что такая перспектива правильная: в отличие от удаленных предметов, ближний план действительно воспринимается в обратной перспективе (Раушенбах). Средствами фотошопа можно добиться обратной перспективы, увеличивая объекты заднего плана. Для привыкшего к законам фотографии зрителя смотреться такое изображение будет странно.
Введение в кадр угла здания, от которого в обе стороны расходятся стены, создает подобие изометрической перспективы. Мозг понимает, что стены находятся под прямым углом, и раскладывает остальное изображение соответственно. Такая перспектива динамичнее фронтальной и естественнее для ближнего плана. Просто вводите в кадр торцевые углы предметов и близко расположенных зданий.
За счет расширения, изометрическая перспектива мажорна, что редко подходит для классического портрета. Линейная перспектива, за счет сужения, лучше передает минорные эмоции.
На этапе съемки, фотографу доступен ряд инструментов, подчеркивающих перспективу. Уходящие вдаль объекты равной ширины (колея, улица, колонны, борозды) своим сужением и даже просто удалением обозначают зрителю трехмерность пространства. Эффект сильнее, если снимать с низкого ракурса, чтобы увеличить искажения перспективы. Для пейзажной съемки этого достаточно, но при небольшой глубине изображения интерьерной съемки эффект малозаметен. Его можно немного усилить в пост-обработке, заузив верхнюю часть изображения (Transform Perspective). Впрочем, и в пейзаже гипертрофированная перспектива может выглядеть интересно.
Глубина может быть явной по смыслу изображения: здания разделены улицей или рекой. Диагональ подчеркивает трехмерность; например, мост через реку.
Предметы известного зрителю размера на заднем плане задают масштаб и, соответственно, формируют перспективу. В пейзажной съемке таким предметом может быть автомобиль, а в портретной попробуйте присогнуть и поджать под стул ногу (от камеры), чтобы она, оставаясь видимой, казалась меньше. Можно даже чуть уменьшить эту ногу в пост-обработке.
Орнамент передает перспективу за счет визуального уменьшения элементов. Примером будет крупная плитка на полу, линии разметки на дороге.
Существует техника гипертрофированного переднего плана. Диспропорционально большой, он создает глубину изображения. Сравнивая масштаб переднего плана и модели, глаз приходит к выводу, что модель гораздо дальше, чем кажется. Гипертрофированность должна оставаться едва различимой, чтобы изображение не воспринималось ошибкой. Этот прием подходит не только для пост-обработки, но и при съемке: исказите пропорции, снимая объективом 35 или 50мм. Съемка широкоугольным объективом растягивает пространство, усиливая его трехмерность за счет нарушения пропорций. Эффект сильнее, если снимать модель с близкого расстояния, но опасайтесь гротескных пропорций: только авторы религиозных изображений могут изображать человека больше здания.
Отлично работает пересечение. Если яблоко частично закрывает собой грушу, то мозг не ошибется: яблоко находится впереди груши. Модель, частично закрывающая собой мебель, создает тем самым глубину интерьера.
Глубину изображению придает также чередование светлых и темных пятен. Мозг знает по опыту, что находящиеся рядом предметы освещены примерно одинаково, поэтому интерпретирует по-разному освещенные предметы как расположенные на разном расстоянии. Для такого эффекта, пятна чередуются в направлении оси перспективы - вглубь изображения, а не поперек него. Например, снимая модель, лежащую от камеры в темном кадре, положите блики света возле ягодиц и возле ног. Можно осветлять/ затемнять области в пост-обработке.
Последовательность все более темных предметов воспринимается уменьшающейся. За счет постепенного затенения объектов, расположенных по активной линии, можно получить тонкое ощущение перспективы. Аналогично, глубина передается ослаблением света: пустите полосу света по мебели или на полу.
Трехмерное изображение можно получить за счет не только светового, но и цветового контраста. Этот прием был известен фламандским живописцам, которые располагали на своих натюрмортах яркие цветные пятна. Красный гранат и желтый лимон рядом будут смотреться трехмерно даже при плоском фронтальном освещении. Особенно хорошо они будут выступать вперед на фоне фиолетового винограда: теплый цвет на фоне холодного. Яркие цветные поверхности хорошо вырываются из темноты даже слабым светом, типичным для натюрморта. Контраст цветов лучше работает с основными цветами: красным, желтым, синим, а не оттенками.
На черном фоне, желтый цвет выступает вперед, синий прячется назад. На белом фоне - наоборот. Насыщенность цвета усиливает этот эффект. Почему так происходит? Желтый цвет не бывает темным, поэтому мозг отказывается верить в то, что желтый предмет может быть погружен в темный фон, не освещен. Синий цвет, наоборот, темный.
Усиление перспективы в пост-обработке сводится к имитации атмосферного восприятия: удаленные объекты кажутся нам более светлыми, размытыми, со сниженным контрастом по яркости, насыщенности и тону.
Помимо больших расстояний, атмосферные эффекты естественно выглядят в утренней дымке, тумане, накуренном баре. Учитывайте погоду: в облачный день или в сумерках не может быть значительного отличия между передним и задним планами.
Самый сильный из факторов - контраст по яркости. В настройках это обычный контраст. Снизьте контрастность удаленных предметов, поднимите контрастность переднего плана - и изображение станет выпуклым. Речь не о контрасте между передним и задним планами, а о контрастности заднего плана, которая должна быть ниже контрастности переднего. Этот метод подходит не только для пейзажей и жанровой съемки, но и студийного портрета: поднимите контраст передней части лица, снизьте контраст на волосах и скулах, одежде. Портретные фильтры делают нечто похожее, размывая кожу модели и оставляя резкими глаза и губы.
Корректировка контраста - самый простой способ трехмерной пост-обработки изображения. В отличие от других процессов, зритель практически не заметит изменений, что позволит сохранить максимальную естественность.
На снижение контраста похоже размытие, но это разные процессы. Изображение может быть низкоконтрастным, оставаясь резким. В силу ограниченной глубины резкости, размытие удаленных предметов остается наиболее популярным способом передачи трехмерности на фотографии, и его легко усилить, размыв дальний план в пост-обработке. Поэтому же на заднем плане следует располагать поменьше деталей - мозг не ожидает различимых предметов вдалеке. Между тем, снижение контраста лучше отвечает естественному восприятию: удаленные горы видны низкоконтрастными, а не размытыми, потому что сканируя пейзаж, взгляд постоянно перефокусируется, ему чужда проблема глубины резкости. Размывая задний план, можно заодно поднять резкость переднего. Дополнительно, на переднем плане можно усилить линии изображения (High Pass Filter или Clarity). Именно высокая резкость переднего плана объясняет характерную выпуклость изображения высококачественных объективов. Осторожно: ради незначительного увеличения трехмерности вы можете сделать изображение слишком жестким.
Более светлые объекты кажутся более удаленными. Связано это с тем, что в природе мы видим дальние объекты сквозь толщу рассеивающего свет воздуха; дальние горы кажутся светлыми. В пейзажной съемке следует, поэтому, с осторожностью относиться к расположению светлых объектов на переднем плане.
Осветлите дальние объекты. Чем удаленнее, тем больше они сливаются с яркостью и тоном неба. Обратите внимание, что горизонтальные объекты (земля, море) лучше освещаются, чем вертикальные (стены, деревья), поэтому не переусердствуйте с осветлением последних. В любом случае, объекты должны оставаться заметно менее светлыми, чем небо.
Хорошо, если вы заметили, что осветление - это другой способ снизить контраст по яркости заднего плана. Чуть затемните передний план для усиления эффекта выпуклости.
Казалось бы, в интерьере все наоборот. Если на улице глаз привык к тому, что даль светла, то в комнате свет зачастую сосредоточен на человеке, а интерьер погружен в темноту; мозг привык к освещению переднего плана, а не заднего. На интерьерных изображениях с малой глубиной сцены, в отличие от пейзажных, освещенная модель выступает из темного фона. Но есть и противоположный фактор: 99% своей эволюции, человек наблюдал перспективу на открытой местности, и с появлением комнат мозг еще не успел перестроиться. Вермеер предпочитал светлый фон для портретов, и они у него действительно выпуклые. Освещение вертикального фона, рекомендуемое в фотографии, не только отделяет от него модель, но и за счет осветления фона придает изображению небольшую трехмерность. Здесь мы сталкиваемся с тем, что мозг анализирует расположение объектов по нескольким факторам, и они могут быть конфликтующими.
Интересно выглядит студийное освещение, в котором световые пятна лежат на удаленных от камеры зонах модели. Например, подсвечена та грудь, которая дальше от камеры.
Снизьте насыщенность цвета на удаленных объектах: из-за толщи разделяющего нас воздуха, дальние горы десатурированы почти до уровня монохрома и покрыты синей дымкой. Насыщенность переднего плана можно увеличить.
Поскольку желтый цвет светлый, а синий и красный - темные, то цветовой контраст заодно является и контрастом по яркости.
Десатурируя удаленный фон, не дайте ему пропасть из виду. Часто, напротив, нужно поднять насыщенность дальнего плана, чтобы проявить его. Это важнее трехмерности.
Много советов по трехмерности фотографии посвящено температурному контрасту. На самом деле, этот эффект очень слабый, легко перебивается контрастом по яркости. К тому же, температурный контраст назойлив, бросается в глаза.
Очень удаленные предметы кажутся более холодного цвета, потому что воздух поглощает теплый оранжевый свет. Фотографируя модель на пляже на фоне кораблей, расположенных у горизонта, в пост-обработке снизьте цветовую температуру далекого моря и судов. Модель в красном купальнике выступает из синего моря, а модель в желтом свете уличного фонаря - из синеватых сумерек.
В этом заключается раздельное тонирование: модель делаем теплее, фон - холоднее. Мозг понимает, что в одной плоскости разных цветовых температур не бывает, и воспринимает такое изображение трехмерным, на котором модель выступает из фона. Раздельное тонирование придает глубину и пейзажам: сделайте передний план теплее, задний холоднее.
Важное исключение из раздельного тонирования: на восходе и закате, удаленный фон вовсе не холодный, а теплый, с желтыми и красно-оранжевыми тонами. Очевидное решение - использовать белокожую модель в фиолетовом купальнике - не работает, потому что закатный свет наносит теплый оттенок и на тело модели.
Обобщим: для придания фотографии трехмерности на основе атмосферных эффектов, необходимо противопоставить передний и задний планы. Основное противопоставление - по обычному контрасту: передний план контрастный, задний - слабоконтрастный. Второе противопоставление - по резкости: передний план резкий, задний - размытый. Третье противопоставление - по светлости: передний план темный, задний - светлый. Четвертое противопоставление - по насыщенности: цвета переднего плана насыщены, заднего - десатурированы. Пятое противопоставление - по температуре: передний план теплый, задний - холодный.
Перечисленные факторы нередко разнонаправленны. Желтый цвет ярче синего, а светлые предметы кажутся дальше темных. Естественно было бы ожидать, что желтый цвет отступает, а синий - приближается к зрителю. На самом деле, наоборот: теплый цвет выступает из холодного фона. То есть, цвет оказывается более сильным фактором, чем яркость. Что, по размышлении, и не удивительно: желтый и красный хорошо различимы только вблизи, и зритель не ожидает их встретить на большом расстоянии.
Итог: удерживайте задний план низкоконтрастным, размытым, светлым, десатурированным, синеватым. И будьте готовы к тому, что зритель, привыкший к гипертрофированному 3D кинофильмов, сочтет созданную вами трехмерность едва заметной или отсутствующей.
В портретной съемке, лучше полагаться на проверенный эффект chiaroscuro - игру светотени на лице модели, которая сделает изображение достаточно выпуклым. В жанровой съемке, перспектива дает наиболее заметный эффект трехмерности. В натюрморте, основным фактором будет пересечение (наложение) предметов.
Не увлекайтесь перспективой; она лишь фон для фронтальной плоскости, на которой трепещет ваше изображение. В современной живописи, далекой от реализма, перспектива не в почете.
Скачать книгу целиком:2D
(two dimensions) – вид компьютерной графики. Такое изображение всегда будет выглядеть плоским, так как в нем используется только два измерения – ширина и высота. Используется для создания логотипов, карт, сайтов, рекламных баннеров, в играх и интерфейсах приложений, мультфильмах и видеофильмах. Несмотря на то, что 2D графика выглядит как плоское изображение, за счет теней можно добиться эффекта объемных объектов (но не фотореалистичности).
Макеты рекламных материалов, созданные для Museo Argentino de Ciencias Naturales (Музей естественных наук, Буэнос Айрес). Автор: Lucas Rod .
Видео для одного из проектов Rijksmuseum . Видеоряд включает в себя изображения 211 произведений из онлайн коллекции музея.
Интерактивная игра для детей о жизни динозавров, нарисованная в формате 2D-графики.
2D графика бывает трех видов:
- Векторная графика: изображение представлено в виде геометрических форм, что дает максимальную точность построенного изображения. Такой формат картинки легко редактируется, масштабируется, поворачивается, деформируется, и позволяет имитировать трехмерность. Из недостатков вектора можно отметить отсутствие реалистичности и невозможность использования эффектов. Векторная графика подходит для рисования чертежей и схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, для элементов брендбука (логотипы, декоративные узоры и т.п.), применяется для создания мультфильмов и различных роликов, а также в печати (обеспечивает высокое качество изображения).
- Растровая графика: картинка формируется из точек различного цвета (так называемых пикселей), которые образуют строки и столбцы. Такие изображения обладают высокой реалистичностью, за счет возможности применения разнообразных эффектов. Недостатком растрового формата является слабая масштабируемость (при уменьшении или увеличении картинки теряется ее качество).
Растровые форматы рисунков используются при создании веб-страниц в Интернете, мобильных приложений, любых интерфейсов, в цифровой живописи и т.д.
Пример-иллюстрация разницы между изображением векторным и растровым.
Пример музейного приложения для сенсорных устройств:
- Фрактальная графика: изображение состоит из частей, которые в каком-то смысле подобны целому — увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. В компьютерной графике фракталы используются для построения изображений природных объектов, таких как деревья, кусты, горные ландшафты, поверхности морей и так далее.
Интерактивная инсталляция в