Grafika komputerowa

1. Grafika komputerowa Z czym to się je?

2. Co to jest ?? Grafika komputerowa– dział informatyki zajmujący się wykorzystaniem komputerów do generowania obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych. Grafika komputerowa jest obecnie narzędziem powszechnie stosowanym w nauce, technice, kulturze oraz rozrywce. Chociaż grafika komputerowa koncentruje się głównie na specjalistycznych algorytmach i strukturach danych, to jednak siłą rzeczy musi czerpać z innych dziedzin wiedzy. Na przykład aby uzyskać obrazy fotorealistyczne, należy wiedzieć jak w rzeczywistym świecie światło oddziałuje z przedmiotami. Podobnie, aby symulacja jazdy samochodem była jak najwierniejsza, należy wiedzieć, jak obiekty fizyczne ze sobą oddziałują. Od kilkunastu lat grafika komputerowa jest też kolejną dyscypliną artystyczną - dzieła powstałe przy jej zastosowaniu nazywa się grafiką cyfrową, infografią, digitalprintem.

3. Przykładowe zastosowania: • kartografia, • wizualizacja danych pomiarowych (np. w formie wykresów dwu- i trójwymiarowych), • wizualizacja symulacji komputerowych, • diagnostyka medyczna, • kreślenie i projektowanie wspomagane komputerowo (CAD), • przygotowanie publikacji (DTP), • efekty specjalne w filmach, • gry komputerowe. Wytworzony komputerowo, fotorealistyczny obraz

4. Rys historyczny: Początki grafiki komputerowej sięgają lat 50. XX wieku, jednak ze względu na duże koszty komputerów i urządzeń graficznych, aż do lat 80. grafika komputerowa była wąską specjalizacją, a na jej zastosowania praktyczne mogły pozwolić sobie ośrodki badawcze, duże firmy oraz instytucje rządowe. Dopiero gdy w latach osiemdziesiątych rozpowszechniły się komputery osobiste, grafika komputerowa stała się czymś powszechnym. Narodziła się pod koniec lat pięćdziesiątych. Jej pionierzy zaczynali realizować swoje projekty na bardzo kosztownych i trudnych w obsłudze maszynach. Jednak ogromne sukcesy jakie odnosili realizatorzy tego kierunku, spowodowały, że grono zainteresowanych tą dziedziną wciąż powiększało się. Do pracy nad nowymi możliwościami i wykorzystaniem grafiki komputerowej w różnych dziedzinach zawodowych, mobilizowały nie tylko fundusze wpływające na ten cel, ale również szerokie zainteresowanie przeróżnych instytucji. Dzięki dynamicznemu rozwojowi elektroniki, w latach 80-tych, grafika była już dostępna dla większej rzeszy użytkowników komputerów domowych. Dziś wiele dziedzin życia nie mogło by sprawnie funkcjonować bez programów wykorzystujących grafikę komputerową. Możemy ją spotkać w architekturze, prasie codziennej, laboratoriach chemicznych, przemyśle twórczym, wojsku a nawet w szpitalu i rozrywce. Zwykli użytkownicy komputerów również nie stronią od tej formy przekazu. Wzbogacają grafiką swoje dokumenty w Wordzie lub w Excelu. Wykorzystują do tego celu rysunki typu ClipArt lub obiekty.

5. Klasyfikacja Ponieważ celem grafiki jest generowanie obrazów, dlatego jednym z głównych kryteriów klasyfikacji jest technika ich tworzenia: • Grafika wektorowa – obraz jest rysowany za pomocą kresek lub łuków. Niegdyś powstawał tak obraz na ploterach kreślących, ale jeszcze do lat 80. XX wieku były wykorzystywane monitory CRT, które kreśliły obraz w analogiczny sposób jak oscyloskopy. • Grafika rastrowa – obraz jest budowany z prostokątnej siatki leżących blisko siebie punktów (tzw. pikseli). Głównym parametrem w przypadku grafiki rastrowej jest wielkość bitmapy, czyli liczba pikseli, podawana na ogół jako wymiary prostokąta

6. Identyczny podział istnieje, jeśli weźmie się pod uwagę reprezentację danych w programach komputerowych: • Grafika wektorowa– w tym przypadku nazwa może być nieco myląca, ponieważ obrazy mogą składać się nie tylko z wektorów (odcinków), ale również z innych figur geometrycznych. Cechą grafiki wektorowej jest to, że zapamiętywane są charakterystyczne dla danych figur dane (parametry), np. dla okręgu będzie to środek i promień, dla odcinka współrzędne punktów końcowych, a dla krzywych parametrycznych współrzędne punktów kontrolnych. Program, jeśli musi narysować obraz na urządzeniu (bądź to rastrowym, bądź wektorowym), na podstawie posiadanych danych wygeneruje obraz tych figur – bardzo ważną zaletą tej reprezentacji to możliwość dowolnego powiększania obrazów, bez straty jakości.

7. Grafika rastrowa – do zapamiętania obrazu rastrowego potrzebna jest dwuwymiarowa tablica pikseli nazywana powszechnie bitmapą. Nazwa wzięła się stąd, że początkowo były rozpowszechnione systemy wyświetlające obrazy czarno-białe, więc w takim przypadku pojedynczy piksel mógł być opisany przez jeden bit. Jednak gdy powszechniejsza stała się grafika kolorowa, piksele zaczęły być opisywane więcej niż jednym bitem – wówczas pojawiła się nazwa pixmapy, która jednak nie przyjęła się (chociaż jest stosowana np. w X Window). Przewagą reprezentacji wektorowej nad rastrową jest to, że zawsze istnieje dokładna informacja o tym, z jakich obiektów składa się obraz. W przypadku obrazów bitmapowych tego rodzaju informacja jest tracona, a jedyne, czego można bezpośrednio się dowiedzieć, to kolor piksela. Istnieją jednak metody, które pozwalają wydobyć z obrazów bitmapowych np. tekst, czy krzywe.W chwili obecnej dominują wyświetlacze rastrowe, więc programy wykorzystujące grafikę wektorową są zmuszone przedstawiać idealne figury geometryczne w skończonej rozdzielczości.

8. Kolejnym kryterium, wg którego klasyfikuje się zastosowania grafiki, jest charakter danych: • Grafika dwuwymiarowa(grafika 2D) – wszystkie obiekty są płaskie (w szczególności każdy obraz rastrowy wpada do tej kategorii).

9. Grafika trójwymiarowa (grafika 3D) Obiekty są umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej i celem programu komputerowego jest przede wszystkim przedstawienie trójwymiarowego świata na dwuwymiarowym obrazie. Grafika trójwymiarowa popularnie zwana 3D (z angielskiego - dimension- wymiar). Jest to grafika komputerowa, tworzona przez programy do projektowania przestrzennego, dająca złudzenie głębi obrazu, mimo że jest on wyświetlany na płaskim ekranie. Grafika 3D umożliwia nam wizualizację dowolnie skomponowanego obiektu. Możemy nadawać mu dowolną powłokę (teksturę), oświetlenie i przeprowadzać masę skomplikowanych modyfikacji.

10. Przykłady zastosowań grafiki 3D: • Przemysł filmowy • W latach dziewięćdziesiątych możliwości superkomputerów będących na usługach wytwórni filmowych, umożliwiły produkcję pełnometrażowych, animowanych, w pełni komputerowych filmów. Pierwszym takim filmem był "Toy Story", który na dodatek odniósł sukces kasowy (100 mln dolarów w Stanach po czterech tygodniach wyświetlania). • "Toy Story" - pierwszy pełnometrażowy, animowany, w pełni komputerowy film • Potem były "Mrówka Z", "Toy Story 2", wreszcie przełomowy "Shrek". W "Shreku" po raz pierwszy w filmie całkowicie stworzonym za pomocą komputerów udało się odtworzyć postaci tak bardzo podobne do realnych. Co więcej po raz pierwszy są to postaci ludzkie, a stworzenie realistycznego wizerunku człowieka i jego zachowania jest najtrudniejszą rzeczą w animacji koputerowej. To już nie to samo co w filmach "Mrówka Z" albo "Toy Story", w których bohaterami były mrówki i zabawki.

11. Bohaterowie "Shreka" zostali ożywieni dzięki systemowi animacji twarzy, stworzonemu przez specjalistów ze studia PDI/Dream Works. Kluczem do sukcesu okazał się program budujący twarze bohaterów z warstw odpowiadających budowie anatomicznej człowieka. Na stworzone w komputerze czaszki nakładano kolejna warstwy mięśni, które potem obleka no skórą. Każda z dziesiątków pojedynczych grup mięśniowych byłą odrębnie kontrolowana i sterowana. Dzięki zastosowaniu olbrzymiej liczby różnorodnych komend animatorom udało się osiągnąć o wiele więcej niż tylko synchronizację ruchu warg wirtualnych aktorów z mówionym przez nich tekstem - ich postaci wyglądają niemal jak prawdziwi ludzie. W dodatku każda z nich jest indywidualnością. Animatorzy musieli uważać, nakładając im na twarze odpowiednie miny. Komenda, która u jednej postaci wywoływała uśmiech, u innej powodowała paskudny grymas.

12. Technikę podobną jak podczas animowania twarzy zastosowano, tworząc ciała, ubrania i wprawiając w ruch bohaterów "Shreka". Udało się osiągnąć całkowitą synchronizację ruchu postaci z ruchem stroju. Kiedy Shrek idzie, jego wytarta tunika porusza się dokładnie tak samo, jak poruszałaby się na żywej postaci. Więcej kłopotu animatorzy mieli z wiernym odtworzeniem ludzkiej skóry. Twórcom filmu szczególnie zależało na pokazaniu przejrzystości i delikatności cery księżniczki Fiony. Użyto do tego programu Shader, który kreuje odpowiednie nasilenie cieni, przewidując, jak dana powierzchnia reaguje na światło, aby twarz Fiony wyglądała realistycznie i pięknie, poproszono nawet o pomoc profesjonalnych makijażystów. Równocześnie włosy pięknej księżniczki wymagały odpowiedniego traktowania - musiały falować w rytm ruchu ciała, mieć połysk i różnorodne odcienie.W "Shreku" zastosowano po raz pierwszy zaawansowane techniki tworzenia ognia i różnego rodzaju płynów. Stworzone w tym celu programy pozwoliły na pokazanie wody, piwa, mleka - a każdy z tych płynów, na przykład nalewany do szklanki do szklanki, zachowuje się inaczej.

13. Oprócz samych postaci, którym poświęcono najwięcej uwagi i pracy, PDI/Dream Works stworzyło również 36 bajkowych plenerów, czyli całkowicie różnych od siebie miejsc akcji. Widzowie będą mogli obserwować, jak bohaterowie wędrują z siedziby Shreka na bagnach do ponurego zamczyska, w którym jest uwięziona Fiona • Powyżej kilka tapet z "Shreka". Wygląd postaci (szczególnie ludzkich) jest niemal fotorealistyczny. • Kreślenie i projektowanie wspomagane komputerowo • W projektowaniu wspomaganym komputerowo (CAD) użytkownik korzysta z grafiki interaktywnej do projektowania elementów i systemów mechanicznych, elektrycznych, elektromechanicznych i elementów elektronicznych, w tym takich struktur jak budynki, karoserie samochodów, kadłuby samolotów i statków. Zazwyczaj nacisk jest kładziony na interakcję z modelem komputerowym projektowanego elementu albo systemu, ale niekiedy użytkownik chce szybko uzyskać dokładne rysunki elementów i zespołów, np. szkice architektoniczne. • Przykłady grafik wykonanych przy pomocy oprogramowania typu CAD 

14. Wykresy w biznesie, nauce i technologii • Następnym bardzo popularnym obszarem zastosowań dzisiejszej grafiki jest tworzenie wykresów 2D i 3D funkcji matematycznych, fizycznych i ekonomicznych; histogramów i wykresów kołowych; wykresów harmonogramownia zadań; wykresów wielkości zapasów i produkcji itd. Wszystkie te wykresy są używane do prezentowania w przejrzysty i zwięzły sposób tendencji i wzorów uzyskanych z danych, tak żeby wyjaśnić złożone zjawiska i ułatwić podejmowanie decyzji. • Dane ekonomiczne przedstawione w postaci wykresu słupkowego 3D                           • Symulacja i animacja dla wizualizacji naukowej i rozrywki

15. W wizualizacji naukowej i inżynierskiej coraz popularniejsze stają się obrazy i filmy animowane generowane komputerowo, pokazujące zmienne w czasie zachowanie się rzeczywistych i symulowanych obiektów. Z narzędzi takich można korzystać przy badaniu abstrakcyjnych wielkości matematycznych i modeli matematycznych takich zjawisk jak przepływ cieczy, teoria względności, reakcje jądrowe i chemiczne, systemy fizjologiczne i działanie organów, deformacje struktur mechanicznych pod wpływem różnych obciążeń. Inną dziedziną zaawansowanych technologii jest produkcja efektów specjalnych w filmach. Dostępne są wyrachowane mechanizmy modelowania obiektów i reprezentowania świateł i cieni. • Wizualizacja w symulatorach lotu • Od początku istnienia grafiki komputerowej jednym z najistotniejszych zastosowań są systemy wizualizacji dla potrzeb symulatorów lotu. Wysokie wymagania stawiane takim systemom wciąż stanowią stymulator rzwoju grafiki komputerowej.

16. Efektywność szkolenia w symulatorze zależy od dokładności odtworzenia warunków rzeczywistego lotu. Dotyczy to zarówno samej konstrukcji kabiny i przyrządów  pokładowych, jak też symulacji wrażeń odczuwanych przez pilota w czasie lotu, takich jak przechyły, wstrząsy, przeciążenia, wibracje, hałas oraz wrażenia wzrokowe. Znaczenia symulacji wrażeń wzrokowych jest na tyle duże, że systemy wizualizacji znajdują się w każdym nowoczesnym symulatorze lotu.Przy realizacji systemów wizualizacji naturalne jest dążenia do uzyskania jak największego generowanych obrazów. W idealnym przypadku wrażenia wzrokowe pilota podczas symulacji nie powinny się różnić od wrażeń pilota w rzeczywistym samolocie. W praktyce ciągle jeszcze konieczne jest dokonywanie wyborów kompromisowych między wiernością odtwarzanego świata a czasem generowania kolejnych obrazów. • Symulator z zewnątrz (SU22) i od środka (F22) • Medycyna • Grafika komputerowa odgrywa coraz większą rolę w takich dziedzinach jak diagnostyka medyczna lub planowanie operacji. W tym ostatnim przypadku chirurdzy korzystają z grafiki do wspomagania kierowania przyrządami i do dokładnego określania w którym miejscu należy usunąć chorą tkankę

17. Jeszcze jednym kryterium jest cykl generacji obrazu: • Grafika nieinterakcyjna – program wczytuje uprzednio przygotowane dane i na ich podstawie tworzy wynikowy obraz. Tak działa np. POV-Ray, który wczytuje z pliku definicję sceny trójwymiarowej i na jej podstawie generuje obraz sceny. • Grafika interakcyjna – program na bieżąco uaktualnia obraz w zależności od działań użytkownika, dzięki temu użytkownik może od razu ocenić skutki. Bardzo ważne w tym przypadku jest, że czas odświeżenia obrazu nie może być zbyt długi. Dlatego w przypadku grafiki interakcyjnej akceptuje się i stosuje uproszczone metody rysowania obiektów, aby zminimalizować czas oczekiwania. • Grafika czasu rzeczywistego – program musi bardzo szybko (kilkadziesiąt razy na sekundę) regenerować obraz, aby wszelkie zmiany były natychmiast uwidocznione. Grafika czasu rzeczywistego ma szczególnie znaczenie w różnego rodzaju symulatorach, jest również powszechna w grach komputerowych.

18. Popularne programy graficzne: • Programy do grafiki rastrowej: • Adobe Photoshop • Corel PHOTO-PAINT z pakietu CorelDRAW • Deneba Canvas • GIMP • IrfanView • Adobe Fireworks • Painter • PaintShopPro

19. Popularne programy do grafiki wektorowej: • AutoCAD • CorelDraw • Adobe FreeHand • Adobe Flash • Adobe Illustrator • Sketch • Inkscape • Sodipodi • Star Office Draw (jedna z części pakietu) • TechCAD • Xfig • Xara Xtreme • Gimp

20. Popularne programy do grafiki 3D: • Anim8or • Blender (program) • Lightwave • Cinema 4D • Maya • Povray • Rasterman • SOFTIMAGE|XSI • 3D Studio i 3D Studio Max • Zmodeler

21. Popularne formaty graficzne: • Popularne formaty grafiki bitmapowej: • BMP • GIF • JPEG • PCX • PNG • TIFF • XCF • PPM

22. Popularne formaty grafiki wektorowej: • SVG • AI • CDR • EPS • PSD Popularne biblioteki graficzne: • DirectX, interaktywna • GD, nieinteraktywna • GTK+, interaktywna • OpenGL, interaktywna

23. Programy do edycji i przetwarzania map bitowych-charakterystyka Programy te oprócz edycji i przetwarzania map bitowych mogą być również przydatne do retuszu i obróbki zdjęć. W programach tego typu tworzymy rysunki od podstaw lub modyfikujemy już istniejące, będące zwykle wynikiem skanowania gotowych rysunków czy fotografii. W grupie tych programów istnieje sporo programów przeznaczonych do domowych zastosowań (Paint) jak i profesjonalnych, używanych w poligrafii i reklamie. Photoshop Adobe, Paint Shop Pro, Picture Publisher i Corel Photo-Paint. Zasadnicza różnica pomiędzy programem domowym a profesjonalnym polega na możliwości wyprodukowania w aplikacji pliku przeznaczonego do wydruku. Tylko specjalny zbiór dyskowy nadaje się di rozpoczęcia procesu naświetlania i wydruku. Najogólniej ujmując, technologia przygotowania do druku jest następująca : zbiór*. ps (postscript) lub *.prn (dla konkretnego urządzenia) jest kierowany do naświetlarki. Tam na jego podstawie powstają cztery klisze (dla druku czarno-białego jedna). Każda z nich zawiera negatyw jednego z kolorów modelu CMYK (cyjan, magenta, yellow, black).

24. Za pomocą klisz naświetla się matryce pokryte materiałem światłoczułym. Po ich wypłukaniu nakłada się je kolejno na bębnie drukarni offestowej. Rozpoczyna się druk pierwszego koloru.   Spotykane w grafice komputerowej mapy bitowe mogą posiadać rózny format (pliki przechowujące mapy bitowe mogą posiadać różne rozszerzenie). Jest to spowodowane tym, że programy z tej grupy umożliwiają zapisywanie przetworzonych plików we własnym formacie. Każdy z tych programów posiada jednak możliwość konwersji obrazów na format ogólnie dostępny. Kilka najpopularniejszych formatów map bitowych przedstawiam poniżej: • BMP- charakterystyczne rozszerzenie nazwy plików zawierających mapę bitową, wykorzystywane przez system Windows oraz wiele innych aplikacji. • JPEG- jeden z najpopularniejszych obecnie formatów map bitowych przechowujący obraz w postaci skompresowanej, bez wyraźnej straty na jakości obrazu. Pliki te posiadają rozszerzenie jpg.

25. GIF- rozszerzenie kolorowych plików graficznych (256 kolorów), które cechują się małą ilością zajmowanego przez nie miejsca. Jest to możliwe dzięki zastosowanej w nich kompresji bez straty jakości obrazu. • PCX- rozszerzenie bitmapowych plików przechowujących grafikę w starszych wersjach systemu Windows. • TIFF- format pliku opracowany specjalnie z myślą o aplikacjach służących do składu publikacji i obsługiwany przez wszystkie programy do edycji grafiki. Pliki zapisane w tym formacie posiadają rozszerzenie tif.

26. To by było na tyle teraz roszkę przykladów w praktyce: