Аппаратные средства для получения цифровых изображений
Классификация цифровых изображений
Лекция 11. Разновидности компьютерной графики и средств создания цифровых изображений
По типу представления информации и алгоритмам обработки цифровых данныхразличают двумерную и трехмерную графику. Двумерная компьютерная графика, в свою очередь, делится на растровую, векторную и фрактальную.
Растровая графикапостроена на принципах формирования изображения из отдельных точек.
1. Основой растрового изображения является прямоугольная матрица, каждая ячейка которой представлена цветным единичным элементом квадратной формы.
2. Сетка матрицы называется растровой картой, а единичный элемент сетки – пикселем. Пиксели подобны зернам фотографии, при значительном увеличении они становятся заметными. Избыточное увеличение приводит к возникновению «лестничного эффекта» – последовательности наложенных друг на друга прямоугольных пикселей.
3. Растровые изображения получают чаще всего с помощью сканеров, цифровых фото- и видеокамер. Растровые изображения можно получить также в ручном режиме, используя программы растровой графики.
4. С помощью растровой графики можно отразить и передать все тонкости реального изображения. Растровое изображение ближе к фотографии, поскольку позволяет более точно воспроизводить изображение объекта.
5. Основные недостатки растровой графики – большие массивы данных и рост зерна с увеличением изображения.
Векторная графикапринципиально отличается от растровой графики, поскольку основана на других принципах.
1. Основным неделимым элементом векторного изображения является линия, которой назначают определенные атрибуты (свойства), например, кривизна, толщина, цвет.
2. Объекты векторной графики строятся из множества линий, положение которых задаются с помощью математических формул. Перед выводом на экран векторного изображения программа производит вычисления координат объектов, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой.
3. Векторные изображения чаще всего получают в ручном режиме и используют преимущественно в оформительских работах, а также в конструкторской и научной деятельности.
4. Векторная графика отличается сравнительно малыми массивами данных. В отличие от растрового увеличение векторного изображения не приводит к потере его качества.
5. Основные недостатки векторной графики выражаются в высокой трудоемкости создания реалистичных изображений и необходимости преобразования в растровую форму перед выводом изображения на печать.
Фрактальная графика как и векторная, основана на математических вычислениях.
1. Основным базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, при этом в памяти компьютера графические объекты не хранятся и само изображение строится исключительно по формулам.
2. Процесс построения изображения заключается в автоматической генерации графических объектов путем математических расчетов.
3. Математический подход обеспечивает малые массивы графических данных и высокую скорость передачи по сетям.
4. С помощью фрактальной графики можно строить простейшие регулярные структуры и сложные иллюстрации, например, трехмерные объекты или природные ландшафты. На основе фрактальной графики удобно создавать компьютерные игры.
5. Основные недостатки выражаются в высокой трудоемкости создания изображения и необходимости использования квалифицированного труда программистов.
Трёхмерная компьютерная графика или 3D-графикаоперирует с объектами в трехмерном пространстве.
1. Все объекты 3D-графики формируют в объемном виде, а результаты представляют в виде проекции – плоской картины.
2. Объемная форма обеспечивается представлением объекта из набора поверхностей или плоских частиц. Минимально возможную поверхность называют полигоном. Обычно в качестве полигона используют треугольники, каждый из которых имеет три координаты вершин.
3. Для визуального преобразованиями в 3D-графике используют матрицы, которые бывают трех видов:· матрица поворота, матрица сдвига, матрица масштабирования. С математической точки зрения преобразование выражается в умножении координат треугольника на соответствующую матрицу. Матричное преобразование всех полигонов объекта приводит к повороту, сдвигу или изменению масштаба всего объекта.
4. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в компьютерных играх, кино и телевидении. Основным недостатком является высокая сложность программ 3D-графики и необходимость профессионального обучения для работы с этими программами.
Средства получения цифрового изображения делятся на программные и аппаратные. К программным средствам относятся все графические редакторы растровой, векторной и другой формы. Аппаратные средства включают сканеры, цифровые фотокамеры, цифровые видеокамеры. Для создания изображений от руки служат графические планшеты.
Сканерыпо способу преобразования светового сигнала в электрический делятся на устройства с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС). ФЭУ относятся к электроламповым приборам и служат для регистрации малых световых сигналов с высокой точностью. ПЗС (преобразователи света в электрический сигнал) построены на полупроводниковой основе, имеют относительно невысокую чувствительность и более низкую стоимость.
Сканеры с ФЭУ относятся к барабанному типу, в котором оригинал для считывания помещается на прозрачный вращающийся цилиндр. Источник света и ФЭУ двигаются вдоль цилиндра, при этом ФЭУ считывает отраженный или проходящий световой поток и регистрирует величину фототока, которая преобразуется в цифровой сигнал. Сканеры с ФЭУ отличаются высоким качеством получаемого цифрового изображения, но обладают повышенной стоимостью и требовательны к условиям эксплуатации.
Устройства сканирования на ПЗС основаны на линейке из полупроводниковых фотоэлементов. Каждый фотоэлемент способен накапливать электрические заряды пропорционально количеству падающего света. В процессе сканирования фотоэлементы регистрируют отраженный от объекта световой поток и формируют линейку зарядов, величина которых пропорциональна яркости изображения. Разрешение таких сканеров определяется количеством фотоэлементов на единицу длины линейки, для недорогих бытовых сканеров, например, это 300-600 точек на дюйм, что на порядок меньше, чем в сканерах с ФЭУ.
Цифровые фотокамеры также основаны на использовании приборов с зарядовой связью. В отличие от сканеров, где фотоэлементы расположены на линейке, в фотокамере используется матрица ПЗС. Матрица построена из плотного двумерного массива светочувствительных фотоэлементов, которые называют пикселями. Пиксели располагаются по строкам и столбцам матрицы, их общее количество достигает нескольких миллионов. Свет, попадая на фотоэлемент, преобразуется в электрический сигнал, который, в свою очередь, преобразуется в цифровую форму и записывается в память фотокамеры. При записи чаще всего используется графический формат JPEG, который позволяет сжимать изображение для увеличения количества хранимых кадров.
Цифровая фотокамера обладает теми же основными свойствами, что и аналоговая (пленочная) фотокамера, но, помимо этого, позволяет:
– провести обработку кадра непосредственно в камере;
– проверить правильность полученного изображения на дисплее;
– соединяться с компьютером, телевизором или принтером;
– напечатать или послать снимки по электронной почте;
– сохранять в памяти большое количество кадров.
Очевидные преимущества цифровых фото- и видеокамер за несколько лет обеспечили практически полное вытеснение с рынка пленочных фотоаппаратов.
Графические планшеты конструктивно выполнены в виде двумерной электронной сетки, каждый элемент которой воспринимает и передает сигналы электронного пера, перемещаемого по поверхности сетки. След электронного пера регистрируется в виде нескольких сигналов, например, координат точки контакта, силы нажима, угла наклона пера, скорости прохождения. Все сигналы формируются в цифровой форме и поступают на программную обработку. Программная обработка преобразует полученные сигналы и позволяет выводить на дисплей разные варианты живописи: карандашом, красками, маслом. Одно из возможных применений графических планшетов – строительное проектирование.