Vývoj počítačové grafiky
Počítačová grafika Základní pojmy Historie ASCII Art 2D grafika Rastrová Vektorová 3D grafika Programy Obsah
Počítačová grafika obor informatiky, který používá počítače k tvorbě umělých grafických objektů úprava zobrazitelných a prostorových informací nasnímaných z reálného světa (například digitální fotografie a jejich úprava, filmové triky) z hlediska umění jde o samostatnou kategorii grafiky.
Základní pojmy Rozlišení - počet pixelů umístěných v horizontálním a vertikálním směru Barevná hloubka - počet barev, které lze zároveň zobrazit na obrazovce Obnovovací frekvence - rychlost, se kterou se obnovuje obraz na monitoru Typ systémové sběrnice - na typu sběrnice závisí množství dat, které je možné přenést z operační paměti do video paměti za určitou dobu.
Historie historie počítačové grafiky začíná mnohem dříve než byly počítače uvedeny v provoz. Jedná se o vynálezce (převážně matematiky) bez jejichž objevů by grafika nemohla existovat. 1951 Whirlwind I první CRT obrazovka 60. léta unikátní pokusy o zpracování grafické informace v rámci institucí 1960 termín počítačová grafika (W. Fetter) 1968 : RCA - George Heilmeier - První LCD založené na principu DSM (Dynamic Scattering Mode)
Historie 70. léta Rozvoj technických prostředků CAD (Computer-aided design) 1977 Apple II barevný počítač 80. léta Mikroprocesory = zlevnění tech. prostředků ZX Spectrum (Sinclair Research) 90. léta Rozvoj technologií VLSI Komunikace (Internet) Nástup 3D grafiky a animace
základy v 19. století reprezentace obrázků pomocí písmen a znaků ASCII použití: psací stroje, negrafické počítačové terminály, email.
Lawn Mower 3D Asci - Shoot'em
Rozdělení počítačové grafiky 2D grafika 3D grafika
2D grafika Pracuje s dvojrozměrnými objekty (obrázky, text, geometrické 2D modely čáry, křivky) Rastrová Vektorová
Rastrová grafika celý 2D obrázek je popsán barevnými body (pixely), které jsou uspořádány do pravoúhlé mřížky každý bod má svou specifickou polohu a barvu používá nejčastěji televize nebo fotoaparát kvalitu ovlivňuje rozlišení a barevná hloubka pro převod fyzických předloh do rastrové grafiky slouží např. scanner nebo fotoaparát.
Rastrová grafika Moderní monitory 63-130 PPI (pixel per inch) PPI počet pixelů na monitoru 27 palců monitor s rozlišením 2560x1440 sqrt(2560^2+1440^2)/27 = 109 PPI DPI (dots per inch) Tisk CMYK (tisk obr. 150ppi s rozlišením 600dpi) každý pixel bude obsahovat 16bodů (600bodů/150 pixely = 4řádky po 4bodech/ pixel )
Jehličkové tiskárny: 60 950 DPI Inkoustové tiskárny: 300 720 DPI Laserové tiskárny: 600 2400 DPI
Rastrová grafika Výhody: snadné pořízení (fotoaparát, scanner) Nevýhody: velké nároky na zdroje obtížnější změna velikosti (ztráta kvality) zvětšování jen do určité míry (pak je viditelný rastr)
Vektorová grafika Ukládá přesná geometrická data, např. souřadnice bodů, propojení mezi body (úsečky a křivky) a vyplnění tvarů. Většina vektorových graf. systémů umožňuje použít standardní tvary jako kružnice, čtverce atd. Křivky spojují jednotlivé kotevní body a mohou mít definovanou výplň (barevná plocha nebo barevný přechod). Použití Loga, animace, ilustrace, fonty
Vektorová grafika základem vektorové grafiky je analytická geometrie a Bézierova křivka (popsána pomocí dvou kotevních a dvou kontrolních bodů)
Vektorová grafika Výhody: Zvětšování/zmenšování bez ztráty kvality Možnost oddělené práce s každým objektem Paměťová náročnost obrázku je menší než u rastrové grafiky Jednoduchý převod do bitmapy Nevýhody: Složité pořizování obrázku (nelze fotoaparátem nebo scannerem) Při překročení určité meze složitosti grafického objektu větší náročnost na procesor a operační paměť než je u rastrové grafiky Pro zobrazení na monitoru, tisknutí (i zobrazení na webu) musí být převedeny na bitmapu.
Vektorová grafika - formáty.eps (Encapsulated PostScript File) Může obsahovat 2D vektorovou grafiku, ale i bitmap obr. nebo text. Loga, kresby Přenos v rámci OS (PostScript).svg (Scalable Vector Graphics) Otevřený standard pro vektorovou grafiku na internetu W3C Def. (vektorové tvary, rastrové obrazy, textové objekty).pdf Ukládání dokumentů nezávisle na sw nebo hw.zmf,.cdr,.ai,.ps
Rastrová vs. Vektorová grafika - shrnutí Obě grafiky zaznamenávají 2D obraz Lidské oko pracuje na principu rastrové (bitmapové) grafiky, ale mozek zpracovává obraz jako vektorovou grafiku Vektorová Rastrová Základní objekty: Úsečka, křivka, bod, Bod (pixel) Vlastnosti základních objektů: Výhody: Matematický popis (počáteční a koncový bod) a jejich atributy Jednoduchost změn ve velikosti Snadný převod do rastru Vlastnosti pixelu (barva, průhlednost, ) Pořízení Lepší možnost práce s barvou Nevýhody Složité pořizování obrázků Ztráta kvality při změně velikosti Velký nárůst objemu dat
3D Grafika vychází z vektorové 2D grafiky, geometrická data se ukládají v prostorové soustavě souřadnic základním geometrickým útvarem jsou polygony pro finální reprezentaci se takzvaným renderingem vytváří rastrový obraz
3D Grafika Základní pojmy: Základní algoritmy a techniky renderování (například z-buffer, anti-aliasing, perspektivní zkreslení...) Mapování textur ( pokrytí povrchu tělesa obrázkem) Algoritmy pro stínování těles existují různé matematické modely pro stínování Gouraudovo stínování pro iluzi zaobleného povrchu tělesa Phongovo stínování - je pomalejší, ale přesnější technika než gouradovo Metody osvětlení a vrhání stínů, užití textur pro změnu reliéfu povrchu RENDERING tvorba reálného obrazu na základě 3D modelu RAY-TRACING vykreslování metodou sledování paprsku INTERACTIVE RAYTRACING (IRT) interaktivní sledování paprsku RASTERIZACE využívá se DDA algoritmus, Bresenhamův algoritmus
Wolfenstein3D ToY Story
Modelování tvarování a vytváření 3D modelu Modelovací nástroj Podle dat, získaných reálným přístrojem Počítačová simulace Reprezentace těles Hraniční reprezentace: těleso popsáno jako mnohostěn CSG (Constructive solid geometry): CAD systémy Pro zobrazení se často převádí do hraniční reprezentace Objemová reprezentace: množina bodových vzorků Tomograf, 3D scanner
Texturování vytváření mapových textur Textura je obrázek, kterým je obaleno těleso. Vrstvy (průhlednost, lesklost) Souřadnice X, Y, Z poloha bodu v prostoru Souřadnice U, V umístění textury na daném místě. UV - mapping
Animace Pohyb objektů Definice zdrojů světla, úhlu pohledu kamery, barev a dalších prvků, které se budou měnit v čase. Keyframing definování klíčových mezních pozic, mezi kterými potom počítač vytvoří plynulý přechod. Animace kostry modelu Simulace fyzikálních jevů Gravitace, pohyb vodní hladiny apod. Motion capture pohyb živé bytosti
Rendering - rasterizace vykreslení dvourozměrného obrazu na základě modelu scény a dalších informací (polohy pozorovatele, textur, osvětlení a stínování). Některé prvky renderingu: Stínování kolísání barvy a jasu povrchu Mlha - tlumení světla při průchodu atmosférou Průhlednost šíření světla skrze objekty bez zkreslení Průsvitnost šíření světla skrze objekty se zkreslením Pohybové rozostření rychle pohybující se objekty se jeví rozmazané
Rendering Ray tracing Technika renderingu využívající světelné paprsky Výpočetně náročné Spočívá ve stopování odražených paprsků od modelu směrem k uživateli
Ray tracing Primární paprsek vyslaný od pozorovatele scény Sekundární paprsek odraz, lom paprsku Stínový paprsek vyslaný od míst odrazu paprsku ke zdrojům světla Ray casting
GIS (Geographic information system) Plně vektorová grafika Ve vektorových mapových vrstvách jsou data uložena pomocí bodů a čar
Programy Adobe Photoshop / Illustrator Corel PaintShop Pro / CorelDraw GIMP https://www.photopea.com/ Blender 3D Inkscape Sketch