CAD info radionica

1. CAD info radionica Dr. Samir Lemeš slemes@unze.ba septembar 2010

2. 1: Osnovnikoncepti • Terminologija • Hardver za računarsku grafiku: • ulazni uređaji • sistem za formiranje slike • izlazni uređaji • Softver za računarsku grafiku • Percepcija svjetlosti i modeli boja • Rasterska i vektorska grafika • Formati grafičkih datoteka

3. Terminologija • Računarska grafika(Computer graphics) je oblast vizuelnog računarstva koje se bavi svim aspektima kreiranja slike pomoću računara. Obuhvata hardver i softver, kao i njihovu primjenu. • CAD (Computer Aided Design), je računarom podržano projektovanje. • CAM (Computer Aided Manufacturing) je računarom podržana proizvodnja. • CAE (Computer Aided Engineering) obuhvata upotrebu računara u konstruisanju, računarske analize i simulacije

4. Računarska grafika • Računarska grafika je našla svoju primjenu u mnogim oblastima: • u tehnici, • u konstruiranju (simulacije i modeliranje), • u uredskom poslovanju, • u nauci, • u medicini, • u industriji zabave (računarske igre, računarska animacija, snimanje, obrada i reprodukcija videa, specijalni filmski efekti, obrada slike), • u kontroli kvaliteta u procesnoj industriji.

5. Osnovni grafički sistem

6. Računarska grafika • Pojava računarske grafike je vezana za prve aplikacije za simulacije letenja, koje je razvijala američka vojska početkom 1950-ih godina. • Prvi glavni iskorak u računarskoj grafici je napravio Ivan Sutherland 1962. godine, izumom sketchpad-a (uređaja za interakciju čovjeka s računarom), a on je autor mnogih algoritama koji se i danas koriste u računarskoj grafici. • Najčešće podjele računarske grafike su na 2D i 3D grafiku, te na rastersku i vektorsku grafiku.

7. Računarska grafika • Rasterska grafika je zasnovana na dvodimenzionalnoj mreži piksela. • Slika se prikazuje kao diskretni skup sitnih elemenata slike (Pixel - PICture ELement), a svakom pikselu je pridružen broj, koji predstavlja boju piksela. • Vektorska grafika koristi osnovne geometrijske likove (tačke, pravce, kružnice, lukove, poligone) za prikaz slike. • To omogućuje da se povećanjem slike ne gubi na kvalitetu slike, za razliku od rasterske grafike

8. Hardver za računarsku grafiku • Ulazni uređaji, sistem za formiranje slike i izlazni uređaji. • Digitalizacija je proces pretvaranja realnih objekata u diskretni set tačaka, pomoću ulaznih uređaja (skeneri, kamere). • Rezultat digitalizacije je rasterska grafika, odnosno matrica piksela. • Svaki piksel je predstavljen brojem, koji predstavlja boju. • Dubina boje se mjeri brojem bita potrebnih za pohranjivanje broja u binarnom obliku.

9. Hardver za računarsku grafiku • 24-bitna dubina boje koristi 24 bita, odnosno po 8 bita za prikaz tri osnovne boje (crvena, zelena, plava). • U binarnom obliku bi čista crvena boja, 24-bitne dubine bila prikazana kao 11111111.00000000.00000000 (prvih 8 bita predstavlja udio crvene boje, drugih 8 bita udio zelene i posljednjih 8 bita udio plave boje). • Od dubine boje zavisi i broj različitih nijansi koje se mogu prikazati (npr. 24-bitna slika ima oko 16 miliona nijansi, a 8-bitna samo 256 nijansi boje).

10. Ulazni uređaji - kamera • Kod analognog fotoaparata se kroz sistem leća (objektiv) osvjetljava film (celuloidna traka sa slojem osjetljivim na svjetlost prije hemijske obrade). • Kod digitalnog fotoaparata osvjetljava se senzor. • Senzor se sastoji od velikog broja fotoosjetljivih dioda, koje intenzitet svjetla pretvaraju u električni naboj. • Senzori registruju samo intenzitet svjetla, tako da je rezultat crno-bijela slika.

11. Ulazni uređaji - kamera • James Clerk Maxwell je 1860 uslikao istu sliku kroz crveni, zeleni i plavi filter, a zatim je tako dobijene crno-bijele slike projektovao kroz iste filtere, čime je dobio kolor sliku. • Na istom principu rade i današnji kolor senzori. • Svaki piksel na senzoru ima filtertako da propušta samo jednu boju.

12. 3D skeneri i digitalizatori • U posljednje vrijeme za digitalizaciju 3D objekata koriste se uređaji koji mogu snimiti ne samo boju, nego i prostorni oblik objekata. • Za to se koriste mehanički digitalizatori, te optički uređaji kao što su laserski skeneri i 3D skeneri sa projekcijom linija. • Optički uređaji su zasnovani na principu triangulacije; koordinate tačaka u prostoru se izračunavaju iz geometrijskih osobina trougla koji čine položaj izvora svjetlosti, položaj kamere i položaj tačke u prostoru od koje se odbija svjetlost.

13. 3D skeneri i digitalizatori • Optički 3D skener • Mehanički digitalizator

14. Sistem za formiranje slike • Pored centralnog procesora (CPU - Central Processing Unit), obrada grafičkih podataka se vrši u posebnom namjenskom mikroprocesoru (GPU - Graphical Processing Unit). • GPU i grafička memorija su obično realizovani kao grafički adapter ili grafička kartica. • Za zahtjevnu 3D računarsku grafiku ne koriste se računari sa grafičkim adapterom integrisanim u osnovnu ploču, jer su takvi adapteri slabih performansi i opterećuju glavni procesor i memoriju.

15. Sistem za formiranje slike

16. Sistem za formiranje slike • Glavne komponente: ulazni interfejs, (prema standardu AGP ili PCI-Express), izlazni interfejsi(analogni VGA, digitalni DVI i/ili video izlaz za spajanje sa drugim vrstama video uređaja kao što je TV), video radna memorija (VRAM) i grafički procesor (GPU). • Grafički akceleratori sadrže hardver i softver za bržu obradu složene 3D grafike: proračun sjena, geometrijske transformacije, složene teksture, uklanjanje nevidljivih linija i sl. • Vodeći proizvođači: Nvidiai ATI.

17. Izlazni uređaji - displeji • Prvi displeji bili su zasnovani na katodnim cijevima (CRT - Catode Ray Tube). • Danas su sve više u upotrebi LCD (LiquidCrystalDisplay) ili plazma displeji. • Plazma displeji sastoje se od velikog broja malih komora ispunjenih gasom (najčešće ksenon i neon) koji se pokreću električnim impulsima i tako proizvode svjetlost. • Ove komore osvjetljavaju određenim intenzitetom crvenu, zelenu i plavu komponentu fosfornih ćelija koje na taj način na ekranu prikazuju određenu boju.

18. Izlazni uređaji - displeji • LCD displeji posjeduju matricu poluvodiča TFT (Thin Film Transistor) koji napajaju strujom ćelije ispunjene tečnim kristalima, smještene između dva stakla. • Nakon prolaska struje kristali se rotiraju za određeni ugao i na taj način filtriraju bijelo svjetlo koje proizvodi lampa smještena iza ekrana, čime se prikazuju različite boje. • LCD tehnologija omogućava veće rezolucije na manjoj površini. • Plazma displeji imaju bolji kontrast i bolji prikaz boja nego LCD displeji.

19. Izlazni uređaji - displeji • Uobičajene rezolucije modernih displeja su: • SVGA (800×600 px), • XGA (1024×768 px), • 720p (1280×720 px), • 1080p (1920×1080 px).

20. Percepcija svjetlosti i modeli boja • Svjetlost je elektromagnetno zračenje. • Frekvencije vidljivog dijela spektra svjetlosti se kreću od 400 do 790 THz. • Frekvencija, odnosno talasna dužina određuje boju, a amplituda određuje intenzitet svjetlosti. • Kad bijela svjetlost osvijetli neku površinu, ona selektivno blokira neke boje a reflektuje (odbija) druge. • Samo reflektovane boje doprinose percepciji boja od strane posmatrača.

21. Percepcija svjetlosti i modeli boja • Ljudsko oko detektuje spektar kombinacijom fotoreceptora (fotoosjetljivih ćelija). • Oko sadrži tri tipa konusnih ćelija, koje su osjetljive na svjetlosti kratke (plava), srednje (zelena) ili duge (crvena) talasne dužine. • Na osnovu toga definisan je model miješanja boja iz tri komponente. • U zavisnosti od toga da li se radi o izvoru svjetlosti ili o površinama koje reflektuju svjetlost, koriste se dva modela boja za digitalizaciju, aditivni i subtraktivni model.

22. Percepcija svjetlosti i modeli boja • Aditivni model dodaje svjetlost na tamnu podlogu i koristi se kod izvora svjetla. • Subtraktivni model (koristi se kod štampanja), pigmentima blokira bijelu svjetlost. • Primarne aditivne boje su crvena (Red), zelena (Green) i plava (Blue) i po njima se aditivni model naziva RGB. • Primarne subtraktivne boje su svijetlo plava (Cyan), ljubičasta (Magenta) i žuta (Yellow) i po njima se model naziva CMY. • Miješanjem primarnih komponenti dobiju se sve ostale boje.

23. Rasterska i vektorska grafika • Rasterska grafika predstavlja grafičke podatke pravougaonom mrežom piksela. • Boja svakog piksela je definisana brojčanim vrijednostima koje predstavljaju udio komponenti korištenog modela boja. • Kvalitet rasterske slike određuje ukupan broj piksela (rezolucija) kao i broj mogućih nijansi za svaki pojedinačni piksel (dubina boje). • Da bi se memorija koristila racionalnije, koriste se različiti algoritmi za kompresiju podataka.

24. Rasterska i vektorska grafika • Rasterska slika se ne može povećati na veću rezoluciju bez gubitka kvalitete. • Vektorska grafika umjesto piksela za prikaz slike koristi geometrijske objekte, kao što su tačke, linije, krivulje, matematičke funkcije, geometrijski likovi.

25. Rasterska i vektorska grafika • Rasterska grafika se koristi kod obrade fotografija,a vektorska se koristi kod projektovanja, grafičkog dizajna i izrade tehničke dokumentacije. • Problem kod vektorske grafike je nerealan prikaz objekata iz prirode, jer se pravilni geometrijski likovi u prirodi rijetko sreću. • Zato su razvijeni hibridni formati grafičkih datoteka, koji sadrže istovremeno i rastersku i vektorsku grafiku.

26. Formati grafičkih datoteka • Za digitalno pohranjivanje slika koriste se standardizirani formati datoteka. • Veličina datoteke se izražava jedinicama kao što su kB (kilobyte), MB (megabyte) i raste s brojem piksela i s dubinom boje. • Digitalne kamere formiraju slike bez kompresije (12 megapiksela, 24-bitna dubina boje: datoteka veličine 36 MB). • Takve slike se pomoću algoritama za kompresiju mogu smanjiti i na 10% originalne veličine. • Algoritmi za kompresiju: bez gubitaka (lossless) i s gubitkom podataka (lossy)

27. Formati grafičkih datoteka • Formati za pohranjivanje slika se mogu podijeliti u dvije glavne skupine: rasterski i vektorski. • Formati PNG, JPEG i GIF su primjeri rasterskih formata koji se najčešće koriste za prikaz slika na internetu. • TIFF datoteke koriste kompresiju bez gubitka, i zato su preovlađujući format za velike slike. • RAW je sirovi format bez kompresije koji se koristi na digitalnim kamerama. • BMP (Windows bitmap) format Microsoft Windows operativnih sistema.

28. Formati grafičkih datoteka • Vektorski formati datoteka mogu sadržavati i vektorske i rasterske podatke. • Primjeri standardnih vektorskih formata su CGM (Computer Graphics Metafile), SVG (Scalable Vector Graphics), EPS (Encapsulated PostScript), SWF (Shockwave Flash), PDF (Portable Document Format), WMF/EMF (Windows Metafile/Enhanced Metafile) • Postoje brojni formati koji su nisu univerzalni, nego su vezani za komercijalni softver, kao što su CDR (CorelDraw), DWG (AutoCAD), AI (Adobe Illustrator).

29. Formati grafičkih datoteka • Za pohranjivanje vektorske 3D grafike koriste se standardni univerzalni formati kao što su IGES (Initial Graphics Exchange Specification), STEP (STandardized Exchange of Product), STL (StereoLiTography), ali i komercijalni formati vezani za softver. • Univerzalni formati obezbjeđuju prenosivost podataka između različitih softvera, ali uz gubitak specifičnih karakteristika, kao što je istorija modeliranja (Part History), materijal, tekstura površine i sl.

30. Formati grafičkih datoteka