Přednáška Základy počítačové grafiky Úvod

Prezentace na téma: "Přednáška Základy počítačové grafiky Úvod"— Transkript prezentace:

1 Přednáška Základy počítačové grafiky Úvod
Ing. Martin Němec A1047 © 2007

2 Počítačová grafika Počítačová grafika je obor informatiky, který se od svých počátků v 70. letech rozvinul do samotné vědní disciplíny. Vývoj je úzce propojen s výpočetními a zobrazovacími vlastnostmi počítačů. Počítačová grafika pronikla do různých odvětví film, lékařství, vojenství, stavebnictví, projektování, modelování, apod. stává se jejich nepostradatelnou součástí. © 2007

3 Význam počítačové grafiky
Rozdílnost vnímání předání informací (grafická vs. textová informace) AUTO Anuloidy © 2007

4 Význam počítačové grafiky
Výhodou je jasný význam (nezávislost na jazykových znalostech) Microsoft ikony © 2007

5 Rozdělení počítačové grafiky
Pseudografika Semigrafika Obchodní grafika Umění … © 2007

6 Pseudografika grafika tvořená pomocí znaků, které ve výsledku působí dojmem grafického obrázku. vyvinuta programátory pro zpestření práce smailíci (emotion icons) :-) S pozdravem, David Ježek   ,,,, <',  ,) © 2007

7 Semigrafika rozšíření o další znaky ░ ▒ ▓ ▀ ▄ atd..
© 2007

8 Obchodní grafika © 2007

9 Umění - Art grafika © 2007

10 Medicína - grafika Ing. Přemysl Kršek, Ph.D. – Seminář počítačové grafiky © 2007

11 Technické prostředky - Vstupní a výstupní zařízení
© 2007

12 Vstupní a výstupní zařízení
- lokátor - poskytuje identifikaci polohy v rovině i v prostoru; - valuátor - poskytuje číselnou hodnotu; - zařízení pro výběr grafického prvku, je schopné identifikovat grafický prvek; - klávesnice - pro vstup znaků i hodnot Vstupní zařízení: klávesnice, myš, pisátko, tablet, digitizér, světelné pero …výstup - hodnota scanner, kamera … výstup bitmapa © 2007

13 Vstupní zařízení Digitalizační zařízení myši Tablet Y X (X) (X)
Uvýstupní (Y) (Y) © 2007

14 Výstupní zařízení a) dočasný záznam - obrazovka - znaková
- bodová - grafická. b) trvalý záznam - plotry kreslící stoly - tiskárny - znakové - bodové. © 2007

15 Tiskárny Typy tiskáren s typovým kolečkem - řetězové jehličkové
inkoustové termotransferové laserové … © 2007

16 Jehličkové tiskárny Vlastnosti jehličkových tiskáren:
9, 18, 24 jehliček barevný tisk (7 barev) nízké náklady až 400 stran/hod. až 6 průklepů nižší hlučnost práce v nepříznivém prostředí (prašné, vlhké apod.) Nevýhody: nízká kvalita tisku Použití: Např. u pokladen, kontrolních výpisů – daňové doklady, výplatní pásky, pracovní grafické výstupy apod. © 2007

17 Inkoustové tiskárny se dělí na:
termální - trysky vybaveny topným odporem piezoelektrická - před tryskou je umístěn piezoelektrický rezonátor. Trysky obsahují topný odpor, který ohřeje inkoust, který je expandován. expandující inkoust vlivem tepelného ohřevu © 2007

18 Schéma piezoelektrické technologie inkoustových tiskáren
© 2007

19 Schéma laserové tiskárny
Laserovým paprskem je sejmut bodově řádek předlohy. Tento sejmutý řádek je magneticky přenesen na bubnový válec, ze kterého je „obraz“ přenesen na papír. © 2007

20 Schéma tisku laserové tiskárny
© 2007

21 Výhody: kvalitní tisk, nehlučný provoz, oboustránkový tisk.
Laserové tiskárny Výhody: kvalitní tisk, nehlučný provoz, oboustránkový tisk. Nevýhody: velké pořizovací náklady, nákladný provoz. © 2007

22 Plotter (rastr vs. vektor) tiskové plottery řezací plottery
© 2007

23 Výhody - přesnost, barvy, velikost kresby,
Plottery: Výhody - přesnost, barvy, velikost kresby, možnost volby různých druhů papírů. Nevýhody - pomalost, velké a drahé zařízení, pouze originál (bez kopie). Tiskárny: Výhody - rychlost „kresby“, levnější, kopie. Nevýhody - nepřesnost, „barva“, nemožnost volby velikosti a kvality papíru. © 2007

24 Kontrolní otázky 1. Charakterizujte vstupní a výstupní zařízení počítačové grafiky. 2. Uveďte rozdělení vstupních zařízení z hlediska aplikace. 3. Charakterizujte jednotlivá vstupní zařízení z hlediska vstupních dat. 4. Charakterizujte výstupní zařízení rastrové, vektorové (výhody, nevýhody). © 2007

25 Počítačová grafika pro osobní počítače řady PC.
Rastrová grafika - monitory,… Vektorová grafika - plottery,… osobní počítače - mají vlastní monitory, pracují v textovém (znakovém) a grafickém. Monochrom 640*480 bodů-pixelů 16 barev 1 bit 4 bity Grafický režim 25 řádků 80 sloupců 16 bitů Znakový režim © 2007

26 Grafické karty (historie)
MDA - (Monochrome Display Adapter) adaptér pro monochromatický monitor, který zobrazí na 25 řádcích 80 znaků alfanumerického textu. …. EGA - (Enhanced Graphics Adapter) uvedený na trh v roce 1985 poskytuje grafický režim pro barevný i monochromatický displej. Je schopen generovat signály pro barevné zobrazení 16 barev z 256 barev ve znakovém režimu nebo 640 * 350 bodů v grafickém režimu. Navíc poskytuje grafický režim i pro monochromatický displej. MCGA - (Multi Color Grafphics Array) je adaptér podobný adaptéru CGA, ovšem má lepší rozlišitelnost (640 * 480 bodů) a má větší barevnost (256 barev z 218). Generuje analogové signály pro ovládání barev, což umožňuje širokou škálu barev. … VGA - (Video Graphics Array) má funkci adaptéru EGA s tím, že větší rozlišení (720 * 400 v textovém režimu, 640 * 480 v grafickém režimu a 256 barev z 218). © 2007

27 Grafické stanice Základem grafické stanice je počítač, který je výkonnější od standardního PC. Od standardního PC se liší jak HW, tak SW vybavením. Výrazný rozdíl grafických stanic od počítačů řady PC je: víceprocesorový stroj - paralelní běh několika úloh, operační paměť od 1 - n GB, větší vybavenost vstupními i výstupními periferiemi víceobrazovkový režim - jeden znakový displej, - jeden (minimálně) grafický displej, komunikace na obrazovce s využitím vícenásobných oken, programová podpora pro určitý obor a zaměření stanice apod. rastrová grafika minimálně s 1 miliónem obrazových bodů. © 2007

28 HP xw8400 Workstation Profesionální grafická pracovní stanice
Celsius R630-2/ 1xXeon 3.2/1GB/2x250GB/DVD±RW/nVidia QFX1400/XPP MUI 3 PCI Express (PCIe) I/O slots Problém s rozlišením co je grafická stanice, co je pracovní stanice a co je server. © 2007

29 Programové vybavení pro PG
Potřeba "normalizovat" určité entity stejný popis základních grafických prvků entit (úsečky, kruhové oblouky, kružnice, elipsy, polygony, generování znaků a pod.). Programové balíky, které tyto entity v daném systému a daném HW vykreslí. Pro větší názornost prvky počítačové grafiky využívají i programy, které nejsou pro grafiku programovány. © 2007

30 Programové vybavení pro počítačovou grafiku
S rozvojem výpočetní techniky vznikla potřeba "normalizovat" určité entity tak, aby při narůstání dalšího počtu programových balíků tyto měly alespoň stejný popis základních grafických prvků - entit (úsečky, kruhové oblouky, kružnice, elipsy, polygony, generování znaků a pod.). Do programového vybavení je nutno zahrnout vše, co je v PC dostupné. Tedy knihovny, moduly a systémy. Vše to je možné pro řešení geometrických problémů využít. Tím se liší využití počítačů pro řešení geometrických úloh od tradičního postupu, kdy řešitel byl odkázán na kreslící pomůcky - tužku a papír. © 2007

31 Tradiční způsob řešení vs. PG
Výhoda je v tom, že řešitel nemusí daný problém nejprve zobrazit na papír a posléze úkol řešit. Může se soustředit na prostorové řešení bez ohledu na zobrazení ať zadání či výsledku. To za něj udělá grafický systém, ve kterém řešitel pracuje. Výrazně se však liší zadávání vstupních dat. Při zadávání tradičním způsobem řešitel viděl nakreslené vstupní prvky a mohl ihned posoudit, zda je úloha dobře zadána. Při zadávání geometrických úloh digitálním způsobem, je nutno dle požadavků zadavatele vstupní data kontrolovat. Jako ukázku uvedu jednoduchý příklad. © 2007

32 Úkol: sestrojte průsečíky kružnice a dané přímky.
Analýza. o k m l © 2007

33 Úkol: sestrojte průsečíky kružnice a dané přímky.
Kontrola zadání. C k k B A © 2007

34 Úkol: sestrojte průsečíky kružnice a dané přímky.
Vlastní řešení. SD > r úloha nemá řešení L k l r S d Dl q K © 2007

35 Úkol: sestrojte průsečíky kružnice a dané přímky.
Vlastní řešení. SD = r řešení řešení Dm ... bod dotyku tečny m M k m r S d Dm q N © 2007

36 Úkol: sestrojte průsečíky kružnice a dané přímky.
Vlastní řešení. SD < r úloha má 2 řešení O o k Y Δ SD0Y je určen, kde q =  r 2 – d 2 r r q S d Do X q P © 2007

37 Generování znaků a grafických značek
Vektorový obraz znaku A Rastrový obraz znaku A a b c d e f g h a b c d e f g h 1. line(x(h1),y(h1),x(d1),y(d1)); line(x(d8),y(d8),x(h8),y(h8)); 2. line(x(d1),y(d1),x(a4),y(a4)); line(x(h8),y(h8),x(f8),y(f8)); 3. line(x(a4),y(a4),x(a5),y(a5)); {Překreslování úsečky !} 4. line(x(a5),y(a5),x(d8),y(d8)); line(x(f8),y(f8),x(f1),y(f1)); © 2007

38 Generování úseček v rastru
Úsečka je základním prvkem grafického obrazu. 6 5 4 3 2 1 A(1.6,1.2) B(7.6,4.7) Problém: úsečka dána body A a B, které pixely vysvítit ? © 2007

39 Úsečka v rastru - přímka (směrnicový tvar)
y = m * x + b, kde m je směrnice a b je posun na ose y. Zadání úsečky koncovými body (x1 , y1 ) a (x2 , y2 ). směrnice úsečky posun (úsek) na ose y x y x = y x = -y m < -1 m > 1 -1 < m < 0 0 < m < 1 © 2007

40 Algoritmus DDA (Digital Differential Analyzer)
Pro m < 1 se souřadnice x zvyšuje PO JEDNÉ. Výpočet y bude dán x+1 x y+1 y V případě y-ové osy by byla hodnota přírůstku k x: Jak pro ostatní m ? © 2007

41 Algoritmus DDA (Digital Differential Analyzer)
Příklad: A[1,1], B[6,4] směrnice přímky AB: m=3/5 , tedy m<1 řídící osou je osa x, přičítám jedničku dopočítávám y : yi+1 = yi + m Které pixely skutečně vysvítíme ? x y 1 1 2 1,6 3 2,2 4 2,8 5 3,4 6 4 © 2007

42 Algoritmus DDA (Digital Differential Analyzer)
Příklad: A[1,1], B[6,4] x y výsledek 2 1,6 2 3 2,2 2 4 2,8 3 5 3,4 3 6 4 4 © 2007

43 Bresenhamův algoritmus
Stejně jako u DDA vychází se směrnicového tvaru. Úsečka … P1 ( x1 , y1 ), P2 ( x2 , y2 ) Vybírá pixel který je blíže skutečné hodnotě. Pixely [xi+1, yi] nebo [xi+1, yi+1]. yi+1 y yi xi+1 xi d1 d2 d1 = y i+1 - y = yi m ( xi +1) – b d2 = y – y i = m ( xi +1) - b d = d2 – d1. Podle proměnné d můžeme určit, který ze dvou možných pixelů leží blíže skutečné úsečce (záporná hodnota d - blíže leží pixel o souřadnici yi, kladná - bližší pixel o souřadnici yi+1). © 2007

44 Bresenhamův algoritmus - Vyhlazování čar
© 2007

45 Kontrolní otázky: 1. Jak jsou generovány úsečky (křivky) v rastrové grafice? 2. Vysvětlete princip DDA algoritmu pro generování úsečky. 3. Vysvětlete princip Bresenhamova algoritmu pro generování úsečky. © 2007

46 Atributy čar. Tloušťka čar
Výpočet pixelů v závislosti na tloušťce čáry © 2007

47 Realizace tloušťky čar na plotru
ekvidistantní pohyb pera nerespektuje tloušťku pera respektuje tloušťku pera © 2007

48 Realizace tloušťky © 2007

49 Algoritmy vyplňování - Semínkové algoritmy
Výhody: snadné, jednoduché naprogramování (rekurze) Nevýhody: nedostatek paměti - rekurze © 2007

50 Algoritmy vyplňování - Semínkové algoritmy
© 2007

51 Algoritmy vyplňování - Řádkové algoritmy
Přímka vrcholem, do seznamu průsečíků zapíše pouze jeden průsečík,jestliže protínající se hrany jsou klesající nebo rostoucí. (AK,AB) Jinak se obě hrany zkrátí - právě ten bod se vynechá. (C, D, E) 2. Přímka zpracovávaného řádku je rovnoběžná s hranou vyplňované oblasti - vypustíme tuto hranu. Postup řádkového algoritmu lze napsat takto: - Postupujeme od nejvyššího vrcholu n-úhelníku směrem dolů. - V každém řádku zleva doprava. - Vyřadíme vodorovné hrany. - Upravíme rostoucí resp. klesající hrany a současně upravíme orientaci hran tak, aby jejich první vrchol měl y - souřadnici vyšší než druhý vrchol. © 2007

52 Řádkové algoritmy (šrafování)
Šrafování – stejně jako při řádkovém vyplňování. Posun ve směru druhé osy je větší než jedna. Pokud šrafy svírají s osou x úhel , otočíme hranici šrafované oblasti o úhel -. Vypočtené jednotlivé šrafy otočíme zpět o úhel . © 2007

53 Shrnutí pojmů Semínkové vyplňování - vybarvování pixelů určenou barvou místo barvy pozadí. Vhodné použití – vyplňování malých ploch (tučně vyplňované písmo). Pro velké plochy (při použití rekurzivních procedur) je možnost přeplnění paměti počítače. Pro vyplňování velkých ploch není vhodné semínkovou metodu programovat rekurzivně. Řádkové vyplňování - vybarvování pixelů určenou barvou místo barvy pozadí po jednotlivých řádcích. Je nutno určit počáteční a koncový bod řádku vyplňování určenou barvou a sudý počet průsečíků hranice vyplňování. Šrafování - řádkové vyplňování, kde posun ve směru svislé osy je přičítání „řádků“ o více než jeden pixel. Jestliže šrafy nejsou rovnoběžné s vodorovnou osou x, ale svírají s osou x úhel , je nutné šrafovaný útvar otočit o úhel -  , a po výpočtu jednotlivých šraf, tyto otočit „zpět“ o úhel . © 2007

54 Algoritmus ořezávání (Algoritmus Cohen-Sutherland)
B 1001 1000 1010 L Ymax bit 4 y > Ymax bit 3 y < Ymin bit 2 x > Xmax bit 1 x < Xmin D M H A 0001 0000 0010 F G Ymin 0101 0100 E 0110 N O Xmin Xmax P1=P2= 0000 vykreslím (úsečka HG) P1=P2≠ 0000 leží mimo P1&P2 ≠ 0 (logický součin) leží mimo (úsečky NO, LM) Počítám průsečík postupně se všemi hranami (úsečky AB, CD, EF) © 2007

55 Algoritmus ořezávání (Algoritmus Cohen-Sutherland)
Ukázka: Algoritmus ořezávání © 2007

56 Kontrolní otázky 1. Úloha a význam počítačové grafiky. Význam, výhody, nevýhody. 2. Nároky na hardware a software ? 3. Co je pseudografika, semigrafika, obchodní grafika ? 4. Vstupní a výstupní zařízení počítačové grafiky. 5. Charakteristika počítačové grafiky pro počítače řady PC. 6. Rozdíl grafiky na počítačích řady PC a grafických stanicích (workstation). 7. Generování úseček (křivek) v rastrové grafice. 8. DDA algoritmus pro generování úsečky. 9. Bresenhamův algoritmus pro generování úsečky. 10. Princip ořezávání obrazců (zoom). © 2007

57 Konec, dotazy? © 2007