to get the file

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Barbara Łukawska, Adam Krechowicz, Tomasz Michno
Ćwiczenie nr ?: Podstawy grafiki komputerowej
Jak widzi człowiek?
Zanim zobaczymy obraz, przechodzi on przez wiele różnych części oka, a następnie nerwami
wędruje do mózgu, gdzie jest dodatkowo przetwarzany (m.in. mózg odwraca zarejestrowany obraz).
Uproszczony przebieg można przedstawić jako:
Rogówka → komora przednia oka → soczewka → ciało szkliste → siatkówka → nerwy → mózg
W siatkówce znajdują się dwa rodzaje światłoczułych receptorów: czopki i pręciki, które rejestrują
obraz.
Czopki odpowiadają za widzenie kolorów. Występują 3 rodzaje czopków, z których każdy reaguje
tylko na jedno z 3 widm światła: niebieskie (około 420nm), zielone (około 530nm) i czerwone (około
700nm). Najmniej jest czopków niebieskich.
Pręciki są dużo bardziej wrażliwe na światło od czopków. Pozwalają tyko na widzenie czarno-białe,
jednak dzięki nim widzimy przy bardzo małej ilości światła.
Obraz padający na siatkówkę jest odwrócony, w mózgu jest dodatkowo przetwarzany dzięki czemu
widzimy go prawidłowo. Mózg może przetworzyć obraz w dowolny sposób - niekoniecznie to co
widzimy istnieje w takiej samej postaci w rzeczywistości. Poniżej znajduje się kilka przykładów
złudzeń optycznych.
Siatka Hermana
Policz liczbę szarych kropek:
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Zjawisko irradiacji
Biały kwadrat wydaje się być większy niż czarny:
Sześcian Neckera
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Nie wiadomo, który róg sześcianu leży bliżej, przez co mózg ma problemy z określeniem, które
ściany są przednimi, a które tylnymi.
Czym jest kolor?
Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, które posiada długość fali od około
380nm (fiolet) do około 760 nm (czerwień) i jest wykrywane przez wzrok (promieniowanie
widzialne). Bardzo często dodatkowo do światła wlicza się promieniowanie podczerwone
i nadfioletowe, które również są badane tymi samymi metodami.
Światło posiada właściwości zarówno fali (np. odbicie, załamanie), jak i korpuskularne (np.
zjawiska fotoelektryczne, jonizacja). Właściwości te są określane terminem dualizm korpuskularnofalowy. Światło możemy podzielić na światło wyemitowane i światło odbite:
• światło wyemitowane pochodzi bezpośrednio ze źródła, np. ze Słońca, żarówki, czy monitora.
• światło odbite pochodzi od obiektu, który odbija światło, natomiast sam go nie emituje (np.
światło Księżyca, światło odbite od kartki papieru).
Barwa powstaje w mózgu człowieka na podstawie zarejestrowanych przez oko fal świetlnych.
Oko ludzkie potrafi odbierać fale pomiędzy 380, a 760 nm (światło widzialne) - jest to tzw. spektrum
widzialne. Poniżej znajduje się ultrafiolet, powyżej podczerwień.
Spośród wszystkich barw, które widzimy, możemy wyróżnić najważniejsze barwy, nazywane
barwami podstawowymi. Barwy podstawowe są minimalnym zestawem kolorów, pozwalającym w
wyniku ich łączenia na uzyskanie pozostałych barw. Dla człowieka minimalny zestaw barw składa
się z 3 kolorów.
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Możemy wyróżnić dwa rodzaje mieszania kolorów podstawych: addytywne i subtraktywne.
Barwy addytywne korzystają z 3 kolorów: Czerwonego (Red), Zielonego (Green) oraz Niebieskiego
(Blue) – w skrócie RGB. Ten sposób powstawania barw występuje w świetle wyemitowanym.
Połączenie wszystkich składowych w równych proporcjach daje kolor biały. Połączenie: czerwonego
i zielonego daje żółty, czerwonego i niebieskiego magentę, natomiast zielonego i niebieskiego cyjan.
Barwy subtraktywne korzystają również z 3 kolorów, jednak nieco innych: Żółtego (Yellow),
Magenty (Magenta) oraz Cyjanu (Cyan) – w skrócie CMY. Ten sposób powstawania barw występuje
w świetle odbitym. Połączenie wszystkich składowych w równych proporcjach daje kolor czarny.
Połączenie magenty i żółtego powoduje powstanie koloru czerwonego, magenty i cyjanu
niebieskiego, natomiast żółtego i cyjany koloru zielonego.
Matematyczne odwzorowanie barwy ze świata rzeczywistego, które uwzględnia sposób w jaki
człowiek odbiera kolory nazywane jest przestrzenią kolorów. Przestrzenie opisują barwy
w oderwaniu od ich subiektywnego odbioru przez człowieka. W wizualizacjach 3D najczęściej
przedstawia się je jako zdeformowaną sferę lub sześcian, natomiast w wizualizacjach 2D przyjmuje
kształt zdeformowanego trójkąta.
Najpopularniejsze przestrzenie kolorów:
• RGB
• CMYK
• CIELab (CIE1976)
Jedną z najważniejszych cech każdej przestrzeni kolorów jest rozpiętość barwna (ang. color
gamut). Określa ona, jak dużo kolorów jest dostępnych w danej przestrzeni, urządzeniu (np.
monitorze, drukarce), bądź materiale (np. papier fotograficzny). Im szersza rozpiętość, tym więcej
kolorów można odwzorować, im węższa tym mniej.
Przestrzeń RGB opiera się na wykorzystaniu 3 kolorów podstawowych: czerwonego (Red),
zielonego (Green) i niebieskiego (Blue). Nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskich nazw.
Bazuje na addytywnym mieszaniu kolorów i jest najczęściej wykorzystywaną przestrzeń kolorów
w informatyce. Można ją spotkać m. in. w większości plików graficznych, aparatach cyfrowych,
skanerach i monitorach. Przestrzeń RGB jest zależna od urządzenia, tzn. wartości kolorów będą
zależały od tego, jak dane urządzenie potrafi je odczytać bądź wyświetlić.
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Przestrzeń CMYK opiera się na wykorzystaniu 4 kolorów: Cyjanu (Cyan), Magenty
(Magenta), Żółtego (Yellow) oraz Czarnego (Black, oznaczanego najczęściej jako Key). Bazuje
na subtraktywnym mieszaniu kolorów. Dodatkowy kolor czarny jest używany, ponieważ
w prawdziwych wydrukach trudno jest uzyskać czystą czerń łącząc cyjan, magentę oraz żółty.
Wykorzystywana jest najczęściej w wydruku (w poligrafii, drukarkach) i podobnie jak RGB jest
przestrzenią zależną od urządzenia.
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Przestrzeń CIELab jet przestrzenią opracowaną przez Międzynarodową Komisję
Oświetleniową - CIE (Comission Internationale de l’Eclairage). Składa się z 3 elementów:
L* - jasność
a* - położenie na osi czerwony-zielony
b* - położenie na osi żółty-niebieski
Pozwala odwzorować wszystkie kolory widziane przez człowieka, zawiera w sobie większą część
przestrzeni RGB i CMYK. Bardzo ważną cechą tej przestrzeni jest to, że jest niezależna od
urządzenia. Dzięki temu wykorzystuje się ją jako wzorzec, a także podczas konwersji pomiędzy
innymi przestrzeniami.
Przestrzeń CIELab - Wizualizacja dla L=75%
Zapis kolorów w komputerze
Najczęściej w komputerze możemy spotkać się z przestrzenią RGB, która zapisuje kolory
ośmiobitowo. Oznacza to, że każda składowa będzie zapisywana na ośmiu bitach – dla każdego
koloru możliwe wartości będą w przedziale <0,255>. Każdy kolor jest zapisywany za pomocą
zestawu trzech liczb, odpowiadających kolejno składowej czerwonej, zielonej i niebieskiej, np.:
• 255, 0, 0 będzie oznaczało kolor czerwony
• 0, 255, 0 – kolor zielony
• 0, 0, 255 – kolor niebieski
Odpowiednio sterując wartościami możemy uzyskać różne inne kolory, np.:
• 0, 0, 0 – kolor czarny
• 255, 255, 255 – kolor biały
• 127, 127, 127 – kolor szary
• 255, 0, 255 – kolor różowy
• 255, 255, 0 – kolor żółty
• 0, 255, 255 – kolor jasnoniebieski, turkusowy
W celu ułatwienia zapisu koloru, czasami stosuje się zapis z użyciem systemu szesnastkowego.
Liczby podawane są wtedy bez przecinków, ponieważ łatwo zauważyć, że każda para liczb oznacza
inną składową. Dodatkowo przed liczbami umieszcza się znak #. Przykładowo:
• #FF0000 – kolor czerwony
• #00FF00 – kolor zielony
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
•
#0000FF – kolor niebieski
Grafika rastrowa i wektorowa
Monitory komputerowe wyświetlają obraz za pomocą drobnych punktów, które razem
składają się na kształty i kolory. W podobny sposób są zapisywane obrazy w pamięci komputera.
Najmniejszy element, z którego składa się obraz nazywany jest pikselem. Piksel posiada informacje
o kolorze, oraz dokładnie ustaloną pozycję.
[obrazek z zaznaczonymi pikselami]
Takie rozwiązanie pozwala na natychmiastowe wyświetlenie obrazu i nadaje się idealnie np. do
zdjęć. Jednak podczas zmiany rozmiaru mogą pojawić się problemy:
Problem ten częściowo rozwiązują tzw. algorytmy interpolacji, które obliczają nowe wartości pikseli
na podstawie skomplikowanych wzorów matematycznych, starając się usunąć efekt pikselizacji.
Mimo to np. rysunki nawet po ich zastosowaniu mogą nie osiągnąć zadowalającej jakości (zazwyczaj
następuje utrata ostrości).
Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest użycie grafiki wektorowej, która zamiast pikseli
zapamiętuje obiekty za pomocą wzorów matematycznych. Dzięki temu stosując skalowanie
stosujemy je tak naprawdę do przekształcenia samego wzoru i kształtu figury. Dzięki temu podczas
rysowania nie są widoczne powiększone piksele. Oprócz tego mamy również możliwość zaznaczania
i przesuwania pojedynczych figur w dowolny sposób.
Ćwiczenie
Narysuj koło w programie Gimp – programie do grafiki rastrowej. Następnie zmniejsz je oraz
zwiększ 4-krotnie (bez użycia algorytmu interpolacji). Zaobserwuj jak zmienia się krawędź. Powtórz
tą samą czynność z użyciem interpolacji.
Następnie korzystając z programu Inkscape (program do grafiki wektorowej) narysuj również koło
i wykonaj zmniejszenie oraz zwiększenie. Zaobserwuj wygląd krawędzi koła.
Jak można było zauważyć w ćwiczeniu, grafika wektorowa w przypadku rysunków zawierających np.
figury geometryczne, czy krzywe pozwala na dużo większą swobodę podczas tworzenia.
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Animacja komputerowa
Animacja komputerowa jest jednym z działów grafiki komputerowej, który zajmuje się
ożywianiem statycznych obrazów.
Animacja składa się zazwyczaj z serii statycznych obrazów, nazywanych klatkami, które
wyświetlane odpowiednio szybko oszukują mózg i sprawiają wrażenie ruchu. Minimalna prędkość
z jaką muszą być wyświetlane klatki, aby ruch był płynny to według badań statystycznych około 10
klatek na sekundę (frames per second - fps). Oto zestawienie najczęściej używanych prędkości:
• 12 fps – pierwszy standard filmowy
• 15 fps – tradycyjne kreskówki
• 24, 25, 30 fps – film kinowy
Wartości te są wystarczające do zastosowań filmowych, jednak w przypadku bardzo dynamicznych
scen (lub gdy klatki nie są ze sobą powiązane) należy stosować znacznie więcej fps.
Ćwiczenie
Wczytaj animację w programie gimp, a następnie wyeksportuj ją do animowanych plików gif, z różną
liczbą fps: 3, 6, 10, 15, 20 (podczas eksportu pojawi się okno, gdzie należy zaznaczyć eksport jako
animację oraz czas trwania każdej klatki=1000/ wybrane fps).
Zaobserwuj co się dzieje podczas odtwarzania animacji.
W ćwiczeniu animacja była tworzona z użyciem grafiki rastrowej – w celu wprowadzenia w ruch
danego elementu należało zmodyfikować piksele (w odpowiednich klatkach). Animacje można
tworzyć również z użyciem grafiki wektorowej – np. popularne animacje flash w większości są
zrobione z jej użyciem. Możliwość przenoszenia w łatwy sposób obiektów oraz możliwość ich
bezstratnego skalowania pozwala na bardzo dużą swobodę.
Animacja z użyciem szkieletu
Technika szkieletowa jest techniką, którą wykorzystuje się do tworzenia realistycznie
poruszających się postaci i zwierząt. W tym celu tworzony jest uproszczony szkielet, który jest
zbliżony do jego rzeczywistego odpowiednika. Szkielet ten posiada wirtualne stawy, które pozwalają
na zginanie wirtualnych kości. Najczęściej na model nakładane są dodatkowe elementy tworząc
wirtualną skórę. W technice tej występuje jednak problem z brakiem realistycznych ruchów mięśni,
które nie są w żaden sposób odwzorowywane. Kości w szkielecie mają najczęściej ustaloną
hierarchię, która może wyglądać następująco:
Miednica
Tułów
Prawe ramię
Prawe przedramię
Prawa dłoń
Lewe ramię
Lewe przedramię
Lewa dłoń
Głowa
Prawa kość udowa
Prawa kość piszczelowa
Prawa stopa
Lewa kość udowa
Lewa kość piszczelowa
Lewa stopa
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Rozwiązanie to pozwala na automatyczne poruszanie kośćmi znajdującymi się niżej w hierarchii (co
odwzorowuje rzeczywistość – poruszając np. ramieniem poruszamy również dłonią i palcami).
Technika szkieletowa może być wykorzystywana w grafice 2D oraz 3D, jednym z programów
2D, który pozwala na tworzenie animacji z jej wykorzystaniem jest Stykz (strona domowa:
http://www.stykz.net/).
Technika szkieletowa w programie Stykz została ograniczona do samego szkieletu, który
możemy dowolnie budować z użyciem odcinków- kości o długości i szerokości ustawianej przez nas.
Po uruchomieniu programu Stykz otwiera się okno, gdzie z sekcji Create a new document
wybieramy Default Document.
Szkielet postaci wygląda następująco:
Na czerwono zaznaczone są wirtualne stawy – punkty których
położenie należy zmienić w celu poruszenia „kości”. Żółty punkt jest
głównym stawem, znajdującym się najwyżej w hierarchii i służy
głównie do przesuwania całej postaci po obszarze roboczym.
Zaznaczanie
stawów
Stykz definiuje dwa rodzaje „kości”: linie
oraz okręgi, które możemy dodawać korzystając z okna narzędziowego.
Dodawanie kości do już istniejącego szkieletu polega na wybraniu rodzaju
kości i kliknięciu na wybrany staw (czerwone bądź żółte kółko). Możemy
również stworzyć zupełnie nowy szkielet klikając w dowolnym miejscu w
obszarze roboczym.
Grubość i kolor kości (oraz kilka innych ustawień) możemy zmienić w
oknie Segment properties, po uprzednim jej zaznaczeniu
Zaznaczanie
kości
kości- odcinki
kości- okręgi
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Zmiana rodzaju kości
Ustawienie widoczności oraz ruchów
Szerokość - grubość
Długość
Kąt pod jakim ustawiona jest kość
Kolor
Okno o nazwie Frames służy do zarządzania klatkami. Domyślnie po utworzeniu nowego projektu
mamy już utworzoną pierwszą klatkę. Następnie w celu dodania kolejnej klikamy ikonę New Frame
znajdującą z prawej strony. Usunąć klatkę można wybierając opcję Delete z menu otwierającego się
po kliknięciu prawym klawiszem.
Po dodaniu nowej klatki postać pozostaje w tej samej pozycji, jaką miała w ostatniej klatce.
Ćwiczenie
Uruchom program Stykz i stwórz prostą animację poruszającej się postaci oraz biegnącego psa.
Projekt ,,Absolwent Politechniki Świętokrzyskiej – inżynier na miarę potrzeb współczesnej gospodarki’’
Program Operacyjny Kapitał Ludzki Priorytet IV Działanie 4.1, Poddziałanie 4.1.2
umowa UDA – POKL.04.01.02-00-213/12-00