Симонович С.В. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

410

Глава 15. Введение в компьютерную графику

Сначала просчитывается преломленный

отраженный

свет,

затем проверяется

видимость

из

точки пересечения всех источников света

интенсивность свето-

вого

потока.

Также вычисляются

наличие,

резкость

ширина бликов

от

каждого

источника света.

Полученные в результате итоговые значения цвета и интенсивности обраба-

тываются

учетом траектории луча

параметров атмосферы, и присваиваются

точке объекта как значения визуализации для наблюдателя. Затем процесс

повторяется для всех элементов

сцены.

С целью

упрощения расчетов пересече-

ние проверяют не для каждой точки, а для примитива в целом. Иногда вокруг

объекта создают простую виртуальную геометрическую фигуру (параллеле-

пипед, шар), расчет пересечений для объекта выполняют только при пересече-

нии траектории наблюдения с фигурой в целом.

Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физи-

ческие эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. Существуют методы рас-

чета процедурных эффектов

{Procedural

Effects) и взаимодействия систем частиц

{Particle

System).

Однако

их

применение

полном

объеме

требует громадных вычис-

лительных ресурсов, и потому в персональных компьютерах обычно используют

упрощенные варианты. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную

анимацию используют

либо

как самостоятельный продукт, либо

качестве отдель-

ных част^ей или кадров готового продукта (рис. 15.8).

Рис.

15.8.

Моделирование взрыва с помощью систем частиц

Особую область трехмерного моделирования

режиме реального времени состав-

ляют тренажеры технических средств

—

автомобилей,

судов,

летательных

косми-

ческих

аппаратов.

них необходимо очень точно реализовывать технические пара-

метры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых

вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств,

тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные на сегодняшний

день

устройства созданы для обучения пило-

тированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделиро-

ванием

визуализацией объектов

таких тренажерах заняты несколько специали-

зированных графических станций, построенных на мощных /?/5С-процессорах и

скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики.

Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на

15.1.

Основы представления графических данных

411

суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких

комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается

достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах

десятки раз дороже.

Программные средства обработки трехмерной графики

На персональных компьютерах основную долю рынка программных средств обра-

ботки трехмерной графики занимают

три

пакета.

Эффективней всего они работают

на самых мощных машинах (в двух- или четырехпроцессорных конфигурациях

Pentium

4 и Хеоп) под управлением операционной системы

Windows.

Программа создания

обработки трехмерной графики

5Z) Studio

Мог фирмы

Kinetix

изначально создавалась для платформы

Windows,

Этот пакет считается «полупро-

фессиональным». Однако

его

средств вполне хватает для разработки качественных

трехмерных изображений объектов неживой природы

(рис.

15.9).

Отличительными

особенностями пакета являются поддержка большого числа аппаратных ускорите-

лей трехмерной графики, мощные световые эффекты, большое число дополнений,

созданных сторонними фирмами. Сравнительная нетребовательность к аппарат-

ным ресурсам позволяет работать даже на компьютерах среднего

уровня.

Вместе с

тем по средствам моделирования и анимации пакет 3D

Studio

Мах уступает более

развитым программным средствам.

Рис.

15.9.

Трехмерное моделирование ландшафта средствами

Studio

Мах

Программа

Softimage

3D компании

Microsoft

изначально создавалась для рабочих

станций SGI и лишь позднее была конвертирована под операционную систему

Windows. Программу отличают богатые возможности моделирования, наличие

большого числа регулируемых физических и кинематографических параметров.

Для рендеринга применяется качественный и достаточно быстрый модуль Mental

Ray. Существует множество дополнений, выпущенных «третьими» фирмами, зна-

чительно расширяющих функции

пакета.

Эта программа считается стандартом «де-

фахсго» в

мире специализированных графических станций

SGI,

а на

платформе IBM PC

выглядит несколько тяжеловато и требует мощных аппаратных ресурсов.

412 Глава 15. Введение в компьютерную графику

Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является

программа Maya, разработанная консорциумом известных компаний {Alias

Wavefront).

Пакет существует

вариантах для разных операционных

систем,

том

числе и

Windows.

Он имеет модульное построение и включает следующие блоки.

•

Base —

содержит

ядро

программы. Обеспечивает поддержку основных инстру-

ментов моделирования, инверсной кинематики, обработки звука, имитации

физических твердых тел, захвата движения, рендеринга и основных наборов

эффектов.

• Maya

F/X

—

набор дополнительных

модулей,

поддерживающих эффекты обра-

ботки систем частиц и моделирования физики взаимодействия мягких тел.

• Maya Power Modeler

—

в основном содержит мощные средства полигонального

и сплайнового моделирования объектов.

• Maya

Artisan —

наиболее передовой модуль, позволяющий обрабатывать вир-

туальные модели методами, характерными для реальной работы скульпторов

и художников. Позволяет, к примеру, рисовать по поверхности объекта «кис-

тями»,

сглаживать поверхности

или делать их более

шероховатыми «скульптур-

ными резцами».

• Maya

Cloth —

предназначен для моделирования одежды.

• Maya Fur

—

модуль для имитации поверхностей, покрытых шерстью или мехом

(рис.

15.10).

Рис.

15.10.

Моделирование меховой поверхности средствами пакета Maya

• Maya Live

—

сценарный модуль, обеспечивающий сопряжение реальных съе-

мок (на «натуре») с компьютерной анимацией.

Инструментарий Maya сведен в четыре группы: Animation (анимация). Modeling

(моделирование). Dynamic (физическое моделирование). Rendering (визуализация).

Удобный настраиваемый интерфейс выполнен в соответствии с современными

требованиями. На сегодняшний

день

Maya является наиболее передовым пакетом

в классе средств создания

обработки трехмерной графики для персональных ком-

пьютеров.

15.2.

Представление графических данных 413

15.2.

Представление графических данных

Форматы графических данных

компьютерной графике применяют

по

меньшей мере три десятка форматов фай-

лов

для хранения изображений.

Но

лишь

часть из

них стала стандартом «де-факто»

и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместим

мые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя

существуют форматы, позволяющие хранить данные разных

классов.

Многие при-

ложения ориентированы на собственные «специфические» форматы, перенос их

файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или

экспортировать изображения в «стандартный» формат.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат предназначен для хранения растровых

изображений высокого качества (расширение имени файла

.TIF).

Относится

числу

широко

распространенных, отличается переносимостью между платформами (IBM PC

и Apple

Macintosh),

обеспечен поддержкой со стороны большинства графических,

верстальных

дизайнерских

программ.

Предусматривает широкий диапазон цвето-

вого охвата

—

от монохромного черно-белого до 32-разрядной модели цветоделе-

ния

CMYK,

Начиная

версии 6.0

формате T/ff можно хранить сведения

масках

(контурах обтравки) изображений. Для уменьшения размера файла применяется

встроенный алгоритм сжатия LZW.

PSD (PhotoShop Document). Собственный формат программы Adobe

Photoshop

(расширение имени файла

.PSD),

один

из

наиболее мощных

по

возможностям хране-

ния растровой графической информации. Позволяет запоминать параметры слоев,

каналов, степени прозрачности, множества масок. Поддерживаются 48-разрядное

кодирование

цвета,

цветоделение

различные цветовые

модели.

Основной недоста-

ток выражен в том, что отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации

приводит к большому объему файлов.

PCX. Формат появился как формат хранения растровых данных программы

PC PaintBrush

фирмы Z-Soft

в свое время был одним из наиболее распространен-

ных (расширение имени файла .PCX). Отсутствие возможности хранить цветоде-

ленные изображения, недостаточность цветовых моделей и другие ограничения

привели к утрате популярности формата. К настоящему времени устарел.

PhotoCD. Формат разработан фирмой

Kodak

для хранения цифровых растровых

изображений высокого качества (расширение имени файла .PCD). Сам формат

хранения данных в файле называется

Image

Рас,

Файл имеет внутреннюю струк-

туру, обеспечивающую хранение изображения с фиксированными величинами

разрешений, и потому размеры любых файлов лишь незначительно отличаются

друг от друга

находятся

диапазоне 4-5 Мбайт. Каждому разрешению присвоен

собственный уровень, отсчитываемый от так называемого базового (Base), состав-

ляющего 512x768 точек. Всего в файле пять уровней

—

от

Base/\Qi

(128x192 точек)

до BasexXQ

(2048x3072

точек).

При первичном сжатии исходного изображения при-

меняется метод субдискретизации, практически без потери качества. Затем вычис-

ляются разности Base -

BasexA

Basexl6.

Итоговый результат записы-

414 Глава 15. Введение в компьютерную графику

вается

файл. Чтобы воспроизвести информацию

высоким разрешением, произ-

водится обратное преобразование. Для хранения информации

цвете использована

цветовая модель YCC.

Windows Bitmap. Формат хранения растровых изображений

операционной сис-

теме

Windows

(расширение имени файла .BMP). Соответственно, поддерживается

всеми приложениями, работающими в этой среде.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения

растровых изображений (расширение имени файла.

JPG).

Позволяет регулировать

соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применя-

емые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации, поэтому

формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций.

GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован в 1987 году как средство

хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов (рас-

ширение имени файла

.GIF).

Получил популярность

Интернете благодаря высокой

степени сжатия. Последняя версия формата

GIF89a

позволяет выполнять черес-

строчную загрузку изображений

создавать рисунки

прозрачным

фоном.

Ограни-

ченные возможности

по

количеству цветов обусловливают

его

применение исклю-

чительно в электронных публикациях.

PNG (Portable Network Graphics). Сравнительно новый (1995 год) формат хране-

ния изображений, предназначенный для их публикации

Интернете (расширение

имени файла .PNG). Создавался как замена для форматов GIF и JPEG. Поддержи-

ваются три типа изображений

—

цветные

глубиной

или 24 бита

черно-белое с

градацией 256 оттенков серого. Сжатие информации происходит практически без

потерь, предусмотрены 254 уровня альфа-канала, чересстрочная развертка. Мас-

сового распространения так и не получил.

WMF (Windows MetaFile). Формат хранения векторных изображений операцион-

ной системы

Windows

(расширение имени файла

.WMF).

По определению поддер-

живается всеми приложениями этой системы. Однако отсутствие средств для

работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полигра-

фии, и другие недостатки ограничивают его применение.

EPS (Encapsulated PostScript). Формат описания как векторных, так

растровых

изображений на языке

PostScript

фирмы

Adobe,

фактическом стандарте в области

допечатных процессов

полиграфии (расширение имени файла

.EPS).

Так как язык

PostScript

является

универсальным,

файле могут одновременно храниться вектор-

ная и растровая графика, шрифты, контуры обтравки (маски), параметры калиб-

ровки оборудования, цветовые профили. Для отображения на экраце векторного

содержимого используется формат

WMF,

а растрового

—

TIFF.

Но экранная копия

лишь в общих чертах отображает реальное изображение, что является существен-

ным недостатком

EPS.

Действительное изображение

можно

увидеть

лишь на

выходе

выводного устройства, с помощью специальных программ просмотра или после

преобразования файла в формат PDF в приложениях Acrobat

Reader,

Acrobat

Exchange.

15.2.

Представление графических данных 415

PDF (Portable Document

Format).

Формат описания

документов,

разработанный

фирмой

Adobe

(расширение имени файла

.PDF).

Хотя этот формат

основном пред-

назначен для хранения документа целиком,

его

впечатляющие возможности позво-

ляют обеспечить эффективное представление изображений. Формат является аппа-

ратно-независимым, поэтому

вывод

изображений допустим на любых устройствах

—

от

экрана монитора

до

фотоэкспонирующего

устройства.

Мощный алгоритм сжатия

со

средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает ком-

пактность файлов при высоком качестве иллюстраций.

Понятие цвета

Цвет

чрезвычайно важен

компьютерной графике как средство усиления зритель-

ного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения.

Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа свето-

вого потока, попадающего

на

сетчатку глаза

от

излучающих или отражающих объек-

тов.

Считается,

что

цветовые рецепторы (колбочки) подразделяются

на три

группы,

каждая из которых воспринимает только единственный цвет

—

красный, зеленый

или

синий.

Нарушения в работе любой из групп приводит

явлению

дальтонизма —

искаженного восприятия цвета.

Световой поток формируется излучениями, представляющими собой комбинацию

трех «чистых» спектральных цветов (красный, зеленый, синий

—

КЗС) и их про-

изводных (в англоязычной литературе используют аббревиатуру

RGB —

Red,

Green,

Blue).

Для излучающих объектов характерно

аддитивное цветовоспроизведение

(световые излучения суммируются), для отражающих объектов

— субтрактивное

цветовоспроизведение

(световые излучения вычитаются). Примером объекта пер-

вого типа является электронно-лучевая трубка монитора, второго типа

—

полигра-

фический отпечаток.

Физические характеристики светового потока определяются параметрами мощ-

ности,

яркости

освещенности.

Визуальные параметры ощущения цвета характе-

ризуются

светлотой,

то есть различимостью

участков,

сильнее или слабее отража-

ющих свет. Минимальную разницу между яркостью различимых по светлоте

объектов называют

порогом.

Величина порога пропорциональна логарифму отно-

шения яркостей. Последовательность оптических характеристик объекта (распо-

ложенная по возрастанию или убыванию), выраженная в оптических плотностях

или логарифмах яркостей, составляет

градацию

и является важнейшим инстру-

ментом для анализа и обработки изображения.

Для точного цветовоспроизведения изображения

на

экране монитора важным явля-

ется понятие

цветовой

температуры.

классической физике считается,

что

любое

тело

температурой, отличной от

градусов

по шкале

Кельвина,

испускает излуче-

ние.

С повышением температуры спектр излучения смещается от инфракрасного

до ультрафиолетового диапазона, проходя через оптический.

Для идеального черного тела легко находится зависимость между длиной волны

излучения и температурой тела. На основе этого закона, например, была дистан-

ционно вычислена температура Солнца

—

около 6500 К. Для целей правильного

цветовоспроизведения характерна обратная задача. То есть монитор с выставлен-

416 Глава 15. Введение в компьютерную графику

ной цветовой температурой 6500 К должен максимально точно воспроизвести

спектр излучения идеального черного тела, нагретого до такой же степени. Таким

образом, стандартные значения цветовых температур используют в качестве все-

общего эталона, обеспечивающего одинаковое цветовоспроизведение на разных

излучающих устройствах.

На практике зрение человека непрерывно подстраивается под спектр, характер-

ный

для цветовой температуры источника излучения. Например,

на

улице

яркий

солнечный

день

цветовая температура составляет

около

7000

К.

Если

улицы зайти

в помещение, освещенное только лампами накаливания (цветовая температура

около 2800

К),

то в

первый момент

свет ламп

покажется

желтым,

белый лист бумаги

тоже приобретет желтый оттенок. Затем происходит адаптация зрения к новому

соотношению КЗС, характерному для цветовой температуры 2800 К, и свет лампы

и лист бумаги начинают восприниматься как белые.

Насыщенность

цвета показывает, насколько данный цвет отличается

от

монохрома-

тического («чистого») излучения

того же

цветового

тона.

компьютерной графике

за единицу принимается насыщенность цветов спектральных излучений.

Ахроматические цвета

(белый,

серый,

черный) характеризуется только светлотой.

Хроматические цвета

имеют параметры насыщенности, светлоты

цветового тона.

Способы описания цвета

компьютерной графике применяют понятие цветового

разрешения

(другое назва-

ние

— глубина

цвета).

Оно определяет метод кодирования цветовой информации

для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изоб-

ражения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодиро-

вание позволяет отобразить 256 градаций цветового

тона.

Два байта (16 бит) опре-

деляют 65 536 оттенков (такой режим называют High

Color).

При 24-разрядном

способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим

называют

True

Color).

С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие

цветового

охвата.

Под ним подразумевается диапазон

цветов,

который можно вос-

произвести

помощью

того

или иного устройства вывода (монитор,

принтер,

печат-

ная машина и прочие).

В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или суб-

трактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на

составляющие компоненты, называемые

цветовыми

моделями.

В компьютерной

графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки

аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полигра-

фическом оборудовании).

Цветовые модели расположены

трехмерной системе координат, образующей

цве-

товое

пространство,

так как из

законов Грассмана

следует, что цвет можно выра-

зить точкой в трехмерном пространстве.

Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет

однозначно

выра-

жается

тремя

составляющими,

если они линейно

независимы.

Линейная

независи-

15.2.

Представление графических данных

417

мость заключается

невозможности получить любой

из этих

трех цветов

сложе-

нием

двух

остальных.

Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При

непрерывном

изменении

излучения

цвет смеси также меняется

непрерывно.

Не

существует такого

цвета,

которому

нельзя

было бы подобрать бесконечно

близкий.

Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет

смеси

излучений зависит

только от

их

цвета,

но не

спектрального

состава.

То есть цвет (С) смеси выража-

ется суммой цветовых уравнений излучений:

R^R+G^G

B^B;

С2 = R2R "^

G^G

"^ ВпВ]

Cn=KR'^G„G

B„B;

C,y^^=(R,

+ R2 + ... +

Rn)R-^(Gr^G2'--

Gn)G

(B,+B,

+ ... +

B„)B

Таким образом, прямоугольная трехмерная координатная система цветового про-

странства для аддитивного способа формирования изображения имеет точку начала

координат, соответствудощую абсолютно черному цвету (цветовое излучение отсут-

ствует), и три оси координат, соответствующих основным цветам. Любой цвет (С)

может быть выражен в цветовом пространстве вектором, который описывается

уравнением:

C*„=R„'R

+ G„'G + B„T;

которое практически идентично уравнению свободного вектора в пространстве,

рассматриваемому

векторной

алгебре.

Направление вектора характеризует цвет-

ность, а его модуль выражает яркость.

Так как величина излучения основных цветов является основой цветовой модели,

ее

максимальное значение принято считать за

единицу.

Тогда

трехмерном цвето-

вом пространстве можно построить

плоскость

единичных

цветов,

образованную

треугольником

цветности.

Каждой точке плоскости единичных цветов соответст-

вует след цветового вектора, пронизывающего

ее в этой

точке

(рис.

15.11).

Следова-

тельно,

цветность любого излучения может

быть

представлена единственной точкой

внутри треугольника цветности, в вершинах которого находятся точки основных

цветов.

То есть положение точки любого цвета можно задать двумя координатами,

а третья легко находится по двум другим.

Если на плоскости единичных цветов указать зкначения координат, соответствую-

щих реальным спектральным излучениям оптического диапазона (от 380 до

700 нм), и соединить их кривой, то мы получим линию, являющуюся геометриче-

ским

местом

точек цветности монохроматических

излучений,

называемую ^O;CZ/COJW.

Внутри локуса находятся все реальные цвета (рис. 15.12).

Чтобы избежать отрицательных значений координат, была выбрана колориметри-

ческая система XYZ, полученная путем пересчета из RGB. В этой системе точке

белого соответствуют координаты

(0,33;

0,33). Колориметрическая система XYZ

является универсальной, в ней можно выразить цветовой охват как аддитивных,

так

субтрактивных источников

цвета.

Для аддитивных источников цветовой охват

418

Глава 15. Введение в компьютерную графику

Плоскость

единичных цветов

Единичные

векторы ^

основных

цветов

Ахроматическая ось

Треугольник цветноаи

Рис.

15.11.

Плоскость единичных цветов

520

510

•

500

Х, нм

530

540J

" О

490^.

480

•

470

'• .

460,

380

550

560

.570

,580

ТГ-Г77В0'

590

фбОО R

Л>- •

Рис.

15.12.

Цветовой

локу С

выражается треугольником с координатами вер-

шин, соответствующими излучению основных

цветов R,

В.

Для субтрактивных источников (полученных в

процессе печати

красками,

чернилами, красителя-

ми) используется модель

CMYK,

поэтому цвето-

вой охват описывается шестиугольником, когда

помимо точек синтеза основной триады (желтая,

пурпурная, го'лубая) добавляются точки попар-

ных наложений, соответствующие основным цве-

там: желтая + голубая = зеленая, желтая + пур-

пурная = красная, голубая + пурпурная = синяя

(рис.

15.13).

Рис.

15.13.

Колориметрическая

система XYZ

15.2.

Представление графических данных

419

Цветовая модель CIE Lab

В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab

(Communication Internationale

VEclairage — международная комиссия

освеще-

нию;

(Я,

—

обозначения осей координат

этой

системе).

Система является аппа-

ратно независимой

потому часто применяется для переноса данных между устрой-

•

ствами.

модели

CIELab любой

цвет определяется светлотой (L)

хроматическими

компонентами: параметром

а,

изменяющимся

диапазоне

от

зеленого

до

красного,

и параметром

из1у1еняющимся

диапазоне от синего до

желтого.

Цветовой охват

модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных

устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели,

его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласова-

ния цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Сегодня она явля-

ется принятым по умолчанию стандартом для программы

Adobe

Photoshop.

Цветовая модель RGB

Цветовая модель

RGB

является аддитивной,

то есть

любой цвет представляет собой

сочетание в различной пропорции трех основных цветов

—

красного

(Red)y

зеле-

ного

(Green)J

синего

(Blue).

Она служит основой при создании

обработке компью-

терной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мони-

торе,

телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой

яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов

одинаковой яркости дает ахроматический серый цвет, который при увеличении

яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона чер-

ному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому

—

максимальные, с

координатами (255, 255, 255).

пурпурный

голубой

Рис. 15.14. Аддитивная цветовая модель RGB

Цветовая модель HSB

Цветовая модель HSB разработана

максимальным учетом особенностей воспри-

ятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет

описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и

яркостью

(Brightness).

Значение цвета выбирается как

вектор,

исходящий из центра

окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру