2.Основные составляющие графической сисемы. Что такое растр и буфер кадра?

Система компьютерной графики является прежде всего вычислительной системой и, как таковая, включает все компоненты вычислительной системы общего назначения. Основные компоненты системы:

процессор;

память;

буфер кадра;

устройства ввода;

устройства вывода.

В настоящее время все графические системы используют растровый принцип создания рисунка. Суть его заключается в том, что изображение рассматривается как массив — растр — простейших элементов, или пикселей (pixels).Каждый пиксель имеет четко заданное положение на экране. Массив кодов, определяющих засветку пикселей на экране, хранится в отдельной области памяти, которая называется буфером кадра ( frame buffer). В системах особо высокого качества для буфера кадра используют специальные типы микросхем — видеопамять с произвольным доступом (VRAM — video random-access memory) или микросхемы динамической памяти с произвольным доступом (DRAM — dynamic random-access memory),которые позволяют быстро вывести содержимое буфера на экран. Глубина (Depth) буфера кадра характеризует количество бит информации, определяющих засветку каждого отдельного пикселя, частности количество цветов, которое может быть представлено на экране данной системы. Например, буфер глубиной 1 бит позволяет выводить двухградационные изображение, а буфер глубиной 8 бит может выводить изображение, состоящее из 2 8=256 цветов. Современные полноцветные (full-color) системы характеризуются глубиной буфера 24 бита ( а иногда и больше).Такие системы способны создавать фотореалистические изображения. Иногда их называют системами с правильной цветопередачей (true-color) или RGB-системами, поскольку в кодировке засветки каждого пикселя можно выделить отдельные группы битов,характеризующие интенсивность засветки каждого из очновных цветов — красному(red), зеленому(green) и синему(blue). В более простых системах буфера кадра выделяется в основной памяти компьютера. Размер буфера кадра определяет в конце-концов одну из главных характеристик графической системы — разрешающую способность (или разрешение).

3.Физический и синтезируемый наблюдатель. Изображение:физическое и синтеризируемое.

Любая система отображения должна обладать средствами формирования изображений наблюдаемых объектов. Для этого нам понадобится «некто или нечто», «рассматривающий» эти объекты. Этим некто или нечто может быть человек,фотокамеры или дигитайзер. Именно наблюдатель формирует изображение объектов.

Изображение, формируемом в компьютере, по самой себе природе является искусственно синтезируемым, поскольку оно не существует физически. Но физически используются те же физические законы, которые действуют и в отношении изображений физических объектов, воспринимаемых зрением человека.

Уровень соответствия синтезируемого изображения оригиналу является важным фактором, от которого зависит эффективность имитатора в целом. Синтезируемое изображение какого-либо объекта, детали или процессов должно быть узнаваемо. Несоблюдение этого требования может привести к потере времени пользователя, в попытках понять, что он видит. При оценке степени соответствия синтезируемого изображения оригиналу целесообразно использовать, как в кинематографии и телевидении, три уровня подобия: физическое, психофизическое (физиологическое) и психологическое.

В применении к машинной графике физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основным физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных. При физически точном подобии определенные характеристики синтезированного изображения должны полностью соответствовать характеристикам оригинала либо быть пропорциональными им. Стоит отметить, что условия физического подобия не могут быть реализованы в полной мере, если синтезируется двухмерное изображение (в котором теряется информация, определяемая бинокулярным зрением) без применения специальных средств, создающих условия объемного восприятия. Как правило, такие средства используются в системах виртуальной реальности (стереоскопическая визуализация, голографическая визуализация, визуализация на объемных носителях и т. д.). Более подробно указанные средства рассматриваются в главе, целиком посвященной системам формирования виртуальной реальности.

При психофизическом (физиологическом) подобии соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата наблюдатель при некотором уровне искажений не может ощутить разницы между синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения идентичны, хотя яркость, форма и цвет неодинаковы. Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. Вследствие этого синтезированное изображение обеспечивает формирование у наблюдателя вполне определенного суждения о реальном объекте или сюжете, хотя синтезированное изображение и оригинал значительно различаются по физическим характеристикам.

Оптимальный результат может быть получен при совместном использовании психофизического и психологического подобия синтезируемого изображения. Использование психофизического подобия разумно применять к ключевым объектам имитатора, в то время как второстепенные объекты могут иметь психологическое подобие.

В настоящее время для определения уровня подобия синтезируемого изображения применяется экспертный метод (не требует наличия метрического пакета, нет необходимости в проведении замеров, статистической обработки и т.д.), т.к. использование иных методов, например, экспериментального, на основе корреляционных зависимостей и т.д. не представляется возможным.

Для использования экспертного метода оценки необходимо назначить качественные, сравнительно-количественные или количественные показатели на основе их принятия или соглашения. Наиболее эффективно использование экспертов, имеющих опыт работы на имитируемом объекте. Точность оценки в любом случае является субъективной и напрямую зависит от компетенции экспертов. Ошибки оценки увеличивают риск обнаружения ошибок во время эксплуатации имитатора.

4. Трассировка лучей

Начнем создание модели процесса формирования изображения с исследования траектории световых лучей, испускаемых источником. Рассмотрим сцену, представленную на рис. 1.9, в которой присутствует только один точечный источник света. Наблюдатель в сцене нужен по той простой причине, что нас, в конце концов, интересует свет, который достигнет глаз наблюдателя. Наблюдателем может быть и фотокамера, как показано на рис. 1.10. Луч представляет собой прямую, ограниченную с одной стороны, т.е. исходящую из определенной точки и уходящую в бесконечность. Поскольку свет распространяется по прямой, то его можно анализировать в терминах геометрических лучей, исходящих из точечного источника во всех направлениях. Часть этих лучей и вносит свой вклад в образование изображения на пленке в фотокамере. Например, если источник видим из камеры, то некоторые лучи прямо попадают через объектив на пленку. Большая часть испускаемых источником лучей уходит в бесконечность, не попадая прямо ни в объектив камеры, ни на один из "пассивных" объектов сцены. Эти лучи не вносят никакого вклада в создание изображения, хотя их и могут видеть другие наблюдатели. Оставшиеся лучи падают на объекты сцены и освещают их. Лучи, падающие на объект, могут взаимодействовать с ним по-разному. Например, если поверхность объекта зеркальная, то отраженные лучи могут (в зависимости от ориентации поверхности) достичь объектива и внести определенный вклад в изображение. Другие поверхности, которые называютсярассеивающими, или диффузными (diffuse surfaces), рассеивают падающий на них свет во всех направлениях. Если поверхность прозрачная, то световой луч от источника может пройти через нее, но при этом возникает его преломление (или рефракция) и частичное отражение. В результате преломленный и отраженный лучи потом могут взаимодействовать с другими объектами и, возможно, попасть в объектив камеры. Как обычно, большая часть этих лучей потом уходит в бесконечность. На рис. 1.10 представлены шесть вариантов взаимодействия лучей, испускаемых источником, с окружающей средой.

Трассировка лучей — это метод моделирования процесса формирования изображения, основанный на анализе описанных оптических явлений. Этот метод в последнее время все шире применяется в компьютерной графике. Метод трассировки световых лучей можно применять для моделирования оптических эффектов в сколь угодно сложной среде — все зависит только от производительности программы и компьютера. Хотя эта модель и достаточно точно описывает реальные физические процессы, соответствующие алгоритмы требуют довольно большого объема вычислений при реализации на компьютере. Можно, однако, в дальнейшем упростить модель, что облегчит ее алгоритмическую реализацию. С физической точки зрения, если наблюдатель улавливает излучение, исходящее от некоторого объекта, для него не имеет значения, каким образом образовалось это излучение — в результате преобразования одного вида энергии в другой (физический источник света) или в результате отражения падающего света. Если, например, зеркало отражает свет от источника в объектив камеры, то для камеры оно является таким же источником. Если мы видим какой-либо объект, то он или освещен светом от какого-либо источника, или сам является источником, или и то и другое. Глядя на объект, мы не можем сказать категорически, какая комбинация этих вариантов имеет место в данной ситуации.

Предположим, что все объекты имеют одинаковую яркость, — сценарий, который трудно реализовать в реальном мире, но который очень часто является вполне резонным при размещении источников в среде. С точки зрения наблюдателя красный треугольник имеет одинаковую яркость красного света в каждой точке, и его нельзя отличить от равномерно излучающего источника того же цвета и формы. Задавшись таким предположением, можно освободиться от собственно физических источников света и с помощью простых тригонометрических методов "просчитать" изображение. В главе 6 будут рассмотрены модели, включающие сложные источники света и учитывающие свойства материалов реальных объектов.

В следующих разделах мы рассмотрим две физические системы создания изображения — глаз человека и камеру-обскуру (или камеру с точечным отверстием). Глаз человека— это исключительно сложная оптическая система, но она подчиняется тем же физическим законам, что и прочие. Мы рассмотрим ее не только в качестве примера реальной оптической системы, но и потому, что правильное представление о ее характеристиках поможет в дальнейшем анализировать возможности компьютерных графических систем. Камера-обскура — это одна из простейших оптических систем, анализ которой поможет уяснить принципы работы и других, более сложных оптических приборов. Мы будем эмулировать характеристики такой камеры при построении модели процесса формирования изображения.