Seminario Informatica Grafica Ing. Tommaso Coviello Politecnico di Bari E-mail:...
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IntroduzioneLe applicazioni della computer graphics sono
nella vita di ogni giorno:Televisione, film, libri, giornali, manifesti,
computer ecc..
La maggior parte degli utenti che utilizzano software grafici sono spesso inconsapevoli della natura della grafica delle immagini su cui stanno lavorando
Cattivo impiego degli strumenti software utilizzati per la loro elaborazione
Computer graphics vs Computer Vision
Computer Graphics: Riguarda tutti gli aspetti di sintesi delle immagini
mediante computer INPUT: dati che descrivono la scena che si
vuole sintetizzare OUTPUT: è la scena sintetizzata e visualizzata
dall’utente.Computer Vision: Riguarda tutti gli aspetti di analisi delle immagini
INPUT: immagini (es: satellitari, tomografie ecc )
OUTPUT:dati che descrivono il contenuto dell’immagine analizzata
In breve…La Computer Graphics non è niente di più che
un’ immagine rappresentata con l’ausilio di un computer su un dispositivo di output:
Monitor Stampanti Ecc.
Le immagini possono provenire: dal mondo reale (es. foto) che viene convertita
in un formato digitale Da software grafici predisposti per alla loro
generazione
Grafica Interattiva
La Grafica Interattiva è invece un importante caso in cui un utente può dinamicamente controllare il contenuto delle immagini, il loro formato, dimensione e colori per mezzo di dispositivi di interazione come tastiera, mouse, joystick ecc.
Vantaggi della digitalizzazioneIl fatto di avere delle immagini in formato digitale
offre numerosi vantaggi: Le immagini possono essere replicate senza
perderne in qualità Possono essere trasmesse via rete Possono essere facilmente manipolate da software
grafici Possono essere incorporate in documenti e
pubblicazioni Possono essere visualizzate su diversi dispositivi di
output come monitor, TV, stampanti ecc.
Due diverse categorieTutte le immagini possono essere classificate in due
grandi categorie:
1. VECTOR GRAPHICS
2. RASTER GRAPHICS
La differenza sostanziale fra le due categorie consiste nei dettagli che possono descrivere.
Vector GraphicsLe immagini vettoriali sono composte da OGGETTI.Tutti gli oggetti sono costruiti a partire da una serie di
primitive quali: Punti Linee Rettangoli Ellissi
Un insieme di oggetti possono essere aggregati per formare un altro oggetto che a sua volta può essere aggregato insieme ad altri a formare un ulteriore oggetto ecc.
Si crea così una GERARCHIA DI OGGETTI
Vector GraphicsVantaggi: Le immagini possono essere ridimensionate in
ogni direzione senza perdere in qualità Gli oggetti possono essere modificati, spostati e
scalati a piacere dell’utente Occupano pochissimo spazio in termini di
memoria (dell’ordine dei kilobytes) essendo costituite da un insieme di istruzioni grafiche: Line (x1,y1,x2,y2) Circle(x,y,radius)
Vector GraphicsSvantaggi: Le immagini vettoriali sono per loro natura
generate all’interno della macchina e pertanto è pressoché impossibile rappresentare in questi termini un’ immagine proveniente dal mondo reale
Es: E’ possibile rappresentare in maniera schematica un oggetto come un albero e quindi renderne l’idea, ma è impossibile dettagliarne ogni particolare come ad esempio le foglie, le striature sul tronco ecc.
Applicazioni Vector GraphicsE’ utilizzata soprattutto nel campo tecnico-scientifico:
CAD Modelli scientifici Architettura Graphic art
Raster GraphicsViene detta anche Bitmapped Graphics.
Le immagini sono composte da un insieme di punti detti PIXEL (picture element) e vengono dette BITMAPS.
Le bitmaps possono essere create al calcolatore, ma la maggior parte delle volte sono immagini digitalizzate che provengono dal mondo reale.
Raster GraphicsOgni bitmap è caratterizzata da due proprietà: RISOLUZIONE: è determinata dalla dimensione
orizzontale e verticale dell’immagine misurata in pixel
Es: 320x200, 640x480 ecc.
COLOUR DEPTH: è determinata dalla quantità di memoria riservata a ogni pixel misurata in bit. Il numero di bit riservati per ogni pixel determina il numero di colori che possono essere visualizzati
Es: 4 bit24 = 16 colori 8 bit28 = 256 colori
24 bit224 = 16,7 milioni di colori
Raster GraphicsVantaggi:
E’ ideale per rappresentare in maniera dettagliata immagini reali.
Con opportuni software è possibile: Regolare contrasto e luminosità Applicare differenti filtri di colori Rimuovere il rumore (es: immagini satellitari) Ecc.
Raster GraphicsSvantaggi: E’ necessaria una grande quantità di spazio in
memoria a causa del fatto che memorizzare il valore di ogni pixel.
Nh= numero pixel in orizzontaleNv= numero pixel in verticaleB= byte per pixel
Dimensione immagine= Nh•Nv•B
Es: La dimensione di un immagine true-color con una risoluzione 3000x2000 occupa 3000x2000x24bit=18 MB
Raster GraphicsSvantaggi: Il
ridimensionamento di un’immagine è problematico: L’ingrandimento
comporta l’inserimento di pixel non reali ottenuti perinterpolazione dei pixel vicini.Si ottiene un effetto mosaico. La riduzione comporta l’eliminazione di alcuni pixel e quindi una necessaria perdita di informazione e dettaglio.
Palette & Look-up TableA ogni pixel viene associato un valore numerico che
poi viene interpretato dal dispositivo di visualizzazione
Il range di colori disponibili è detto “paletta dei colori” (palette), ma spesso soltanto un sottoinsieme di questo è disponibile o si vuole utilizzare.
Si preferisce pertanto usare un metodo indiretto di indirizzamento del colore basato su una tavolozza (look-up table).
Il valore associato al pixel viene usato per indicizzare la look-up table.
Palette & Look-up Table
Grazie a questo metodo è possibile modificare il modo in cui viene visualizzata l’immagine senza modificare i dati dell’immagine stessa.
Palette & Look-up Table
Grey-Scale
Full-Color
CompressioneLa compressione è un processo che consiste
nell’eliminazione della ridondanza dei dati in un file in maniera tale da ridurne la sua dimensione.
In mancanza di queste tecniche su un supporto CDROM potrebbero essere salvati non più di 78 secondi di un full-screen/full motion video
Le tecniche di compressione possono essere di due tipi: Lossless non si perdono informazioni durante la
compressione Lossy si perdono informazioni durante la
compressione
Run Length EncondingQuesto metodo permette la compressione di quelle
immagini in cui sono presenti aree uniforme di colore
E’ possibile descrivere un insieme di pixel adiacenti che hanno lo stesso colore con una coppia di valori che indicano:
Il codice del colore Il numero di pixel che formano l’insieme
Run Length EncondingSupponiamo di avere un’immagine a 256 coloriPer rappresentare il valore numerico del colore
occorre 1 byte
23 23 23 23 23 23 12 12 12 10 9 9 9 9 9 15 byte
{23,6} {12,3} {10,1} {9,5} 8 byte
Il metodo non è molto efficace nel caso di bitmaps complesse in cui è poco probabile avere pixel adiacenti con lo stesso colore la compressione rende la dimensione del file maggiore!
Huffman CodingE’ un metodo statistico di compressione che si basa
sulla frequenza di occorrenza dei valori dei pixel.
1. L’immagine viene analizzata e si costruisce una tabella dei valori con la rispettiva occorrenza.
2. Viene utilizzato un codice binario a lunghezza variabile, assegnando la codifica più breve al valore con frequenza più alta
N.B. Il codice di Huffman ha la proprietà che non è mai prefisso di un'altro. Questo significa che nonostante la lunghezza dei codici sia variabile, il compressore saprà sempre quando un codice finisce ed un altro inizia.
Huffman CodingConsideriamo un’immagine a 256 colori 8 bit per
pixel
Supponiamo di avere un sequenza di 100 valori con la seguente occorrenza
Dimensione totale 100 byte
Valore
Occorrenza
23 50
9 30
12 15
10 5
Huffman Coding
Valore
Frequenza
23 0.5
9 0.3
12 0.15
10 0.051
0
1
0.2
0.5
1
0
0 1
Valore Codice
23 0
9 10
12 110
10 111
Dimensione=1×50 + 2×30 + 3×15 + 3×5=170 bit ~= 22 byte
Lossy CompressionI metodi di compressione “Lossy” si basano sul fatto
che l’occhio umano non è in grado di percepire distintamente delle variazioni di colore molto simili.
Si baratta una perdita di qualità dell’immagine con una compressione molto più efficiente.
N.B. Questo tipo di compressione non è ammissibile se l’immagine deve essere processata da un computer.
Formato dei fileIl grande numero di algoritmi di compressione che
sono stati sviluppati si è riflesso nel gran numero di formati di file con cui vengono salvate le immagini.BITMAP VECTOR
BMP Windows Paintbrush
CGM Computer Graphics Metafile
GIF Compuserve Graphics Interchange Format
DXF Computer Aided-Design
PCX PC Paintbrush WMF Windows MetaFile
TIFF Tagged Image file format
JPEG Joint Photographic Experts Group
Formato dei file PCX è stato realizzato per una particolare
marca di prodotti, ma è stato comunque accettato sul mercato
CGM e TIFF sono stati standardizzati dall’ ISO (International Standard Organization) e non sono stati realizzati in relazione a un particolare prodotto
BMP è l’unico dei formati elencati a non essere compresso. Svantaggio : richiede più memoria Vantaggio : non richiede CPU per la
decompressione
Il colore
Il colore è la percezione umana della porzione visibile dello spettro elettromagnetico, il quale si estende dalle basse onde radio fino ai raggi gamma.
Spettro visibile [380nm, 700nm]
10
10
10
10
10
10
10
10
103 km
3 cm
3000 nm
300 nm
30 nm
0.003 nm
0.0003 nm
0.00003 nm
0.3 mm
Red
Violet
380 nm
700 nm
Frequency (Hz)Wavelength
Ultraviolet
Radio waves
Microwave
Infrared
X rays
Gamma rays
Cosmic rays
Visible Spectrum
22
21
20
16
15
14
12
10
5
Viola 360 nmBlu 480 nmGiallo 580 nmRosso 700 nm
L’occhio umano
L’occhio umano è un sistema di visualizzazione sofisticato capace di distinguere anche piccole differenze di luminosità e colore.
La luce viene focalizzata sulla retina mediante un cristallino flessibile la cui forma è controllata da un muscolo
La retina è composta da due celle sensibili: i coni e i bastoncelli I bastoncelli si trovano nella periferia della retina, non sono
sensibili al colore e sono responsabili della nostra vita notturna
I coni contengono dei fotopigmenti sensibili al colore e operano solo in presenza di luce
C o r n e a
F o v e a
R e t i n a
Punto cieco
Nervo ottico
lente
Punto focale Umor vitreo
Cristallino
I tre colori fondamentali
La retina del nostro occhio è formata da tre tipi di coni che sono sensibili rispettivamente al:
Rosso (lunghezza d’onda 622-780 nm ) Verde (lunghezza d’onda 492-577 nm nm ) Blu (lunghezza d’onda 455-492 nm )
Tutti gli altri colori intermedi vengono percepiti dall’occhio umano come una miscela additiva dei tre colori fondamentali.
Ad esempio il colore giallo è percepito quando sono stimolati contemporaneamente i coni del verde e del rosso.
La percezione visiva
I nostri occhi sono più sensibili alle radiazioni di alcune lunghezze d’onda (giallo e rosso) piuttosto che ad altre.
Il cristallino e lo umor vitreo assorbono maggiormente le radiazioni con lunghezze d’onda più lunghe
La retina è composta per la maggior parte da coni sensibili al rosso piuttosto che al verde e al blu
La percezione della luminosità dei colori è piuttosto non-lineare: infatti affinché un’area blu e un’area rossa ci appaiano con la stessa intensità, occorre che l’area blu abbia un’intensità maggiore rispetto all’area rossa
Un modello per il colore
La descrizione del colore basata sulle proprietà fisiche della luce (ad esempio le proprietà elettromagnetiche), non è adatta a descrivere la percezione umana del colore.
Sono stati concepiti dei modelli per il colore, chiamati spazio dei colori, che si basano sul concetto della miscelazione dei colori.
Per mezzo di tre colori primari è possibile sintetizzare tutti i colori possibili.
Vantaggi: Descrizione più intuitiva Descrizione numerica del colore che può essere facilmente
usata per i dispositivi di visualizzazione e stampa
Meccanismo di percezione
Il colore di un oggetto viene percepito come tale per la luce che viene da esso emessa o riflessa.
Esempio:
Una ciliegia sullo schermo televisivo ci appare rossa perché viene emessa una luce rossa
Una ciliegia reale invece ci appare rossa perché essa assorbe tutte le radiazioni del visibile tranne quelle con lunghezze d’onda vicino al rosso che viene pertanto riflessa.
La sintesi additiva
La sintesi additiva del colore è quella utilizzata non solo dall’occhio umano ma anche da molti dispositivi di visualizzazione, quali monitor che emettono luce propria.
I colori primari utilizzati sono il rosso, il verde e il blu (RGB- red-green-blu) a cui sono sensibili i coni dell’occhio umano.
L’immagine viene scomposta in pixel alternativamente rossi, verdi e blu. Se la trama ottenuta è parecchio fitta, l’occhio umano non è in grado di distinguere i vari pixel.
ESEMPIO
La sintesi sottrattiva
La sintesi sottrattiva è invece opposta a quella additiva.I colori fondamentali sono i complementari dei colori
fondamentali utilizzati nella sintesi additiva: Il Giallo (complementare del blu) Il magenta (complementare del verde) L’azzurro ciano (complementare del rosso)
In inglese sono sintetizzati dalla sigla YMC (yellow,magenta,cyan)
La sintesi sottrattiva
Se sovrapponiamo più filtri colorati nella visualizzazione delle immagini, al nostro occhio giungeranno soltanto i colori che non sono stati filtrati.
Ogni volta la luce attraversa un filtro, una parte della luce viene sottratta e questo giustifica il termine sottrattivo.
La sintesi sottrattiva è utilizzata nelle pellicole delle macchine fotografiche, le quali sono ricoperti da tre strati sovrapposti giallo, magenta e ciano.
Il modello RGB
Il modello RGB (red-green-blu) si basa sul sistema di sintesi additiva dei colori ed è utilizzato in tutti quei dispositivi di proiezioni (monitor).
A ogni pixel viene assegnato un valore di intensità tra [0;255] per ogni componente RGB.
Quando tutti e tre i valori sono uguali viene rappresentato una tonalità di grigio
Se i valori sono tutti 0, allora si sta rappresentando il nero
Se i 3 valori sono 255, si ottiene il bianco
Il modello CMYK
Il modello CMYK (cyan-magenta-yellow-black) si basa sulla proprietà di assorbimento della luce di alcuni inchiostri utilizzati su carta.
Ogniqualvolta la luce colpisce un inchiostro traslucido, una parte della radiazione viene filtrata (assorbita) e la rimanente riflessa.
In teoria i 3 colori C M e Y dovrebbero essere sufficienti a sintetizzare il nero. In realtà le impurità di questi inchiostri portano al più alla sintesi di un marrone scuro. Pertanto ai precedenti si aggiunge anche il nero.
Il modello HSB
Il modello HSB è basato sulla percezione umana del colore e descrive tre caratteristiche principali del colore:
H=HUE è il colore di un oggetto e viene indicato sulla ruota dei colori standard con un numero compreso tra [0°;360°]
S=SATURATION indica la purezze del colore. Il valore inverso della saturazione rappresenta la quantità di grigio rispetto alla tonalità: 0% grigio neutro, 100% saturazione massima (colore puro)
B=Brightness è la chiarezza relativa del colore misurata come percentuale da 0% (nero pieno) a 100% (bianco).
Hardware
Un tipico sistema per la Interactive Computer Graphics è composto da 4 sottosistemi:
Computer Display Processing Unit Dispositivi di visualizzazione Dispositivi di Input
Plotter
Stampante
Computer
DPU Display
Dispositivi di Interazione
Scheda videoLa visualizzazione delle immagini ad alta risoluzione e
true-color richiedono: Una considerevole quantità di memoria disponibile
per la visualizzazione delle immagini Una elevata velocità alla quale il display deve essere
ridisegnato
Questi fattori vengono controllati dalle schede video. Esse sono realizzate mediante circuiti stampati con a bordo un processore e una memoria video. La quantità di memoria gioca un ruolo importante per la visualizzazione di immagini ad alta risoluzione e true color.
DPULa DPU è una CPU a tutti gli effetti dedicata a uno
speciale compito: Eseguire una sequenza di istruzioni grafiche
che formano il cosiddetto “display program” o “DPU program”
Gestire l’interazione dell’utente con i dispositivi di input come tastiera, mouse ecc.
Infatti essa è caratterizzata da: Un proprio set di istruzioni (disegno di un
punto, di un segmento, di un cerchio, di un carattere)
Un proprio formato per i dati un contatore di istruzioni
DPUL’architettura di una DPU può essere organizzata per
creare immagini in due modalità:
Random Scan (detta anche Vector Scan)
Raster Scan
Random ScanLe immagini sul display possono essere disegnate
seguendo un qualsiasi ordine
Es: Plotter è un dispositivo random scan in cui una penna
viene mossa in ogni direzione su un foglio per disegnare un’immagine
Es: Il triangolo viene disegnato deflettendo il fascio partendo da una posizione iniziale
Raster ScanIl display viene diviso in linee orizzontali e il fascio
disegna partendo da sinistra verso destra tutte le parti presenti nella linea corrente.Es: TV e Stampanti
Durante la scansione da sinistra verso destra l’intensità del fascio viene modulata per creare diverse gradazioni di grigio
Alla fine di ogni riga il fascio viene spento e riposizionato all’inizio della riga successiva
Completata la scansione del quadro il fascio viene spento e posizionato all’angolo superiore sinistro
CRTLa grafica interattiva richiede dispositivi di
visualizzazione che permettono, a differenza delle stampanti o dei plotter, di poter cambiare l’immagine visualizzata velocemente.
Il dispositivo più comune che permette di soddisfare la richiesta precedente è il Tubo a Raggi Catodici (CRT).
Principio di Funzionamento Un cannone elettronico costituito da un catodo
emette un fascio di elettroni (emissione termoionica) che vengono accelerati verso lo schermo.
Il fascio viene focalizzato e deflesso con un campo elettrostatico su un particolare punto dello schermo
Lo schermo è ricoperto da un sottile strato di fosforo che quando colpito dal fascio di elettroni emette luce
Siccome la luce emessa dai cristalli di fosforo decade esponenzialmente, l’intera schermata deve essere ridisegnata con una certa frequenza
CRT a colori La superficie dello schermo è coperta da cristalli di
fosforo che se colpiti emettono luce blu,verde o rossa I cristalli sono organizzati a triangolo Vengono utilizzati 3 fasci di elettroni deflessi
simultaneamente su un particolare punto dello schermo
Si utilizza uno schermo metallico (shadow-mask) per diminuire la deformazione delle immagini
LCDLa tecnologia a Cristalli Liquidi permette la
costruzione di dispositivi a panello piatto e sono adatti ad applicazioni portatili grazie al loro basso consumo.
Il principio degli LCD si basa sulla proprietà di alcune sostanze organiche che si trovano in uno stato intermedio tra il solido e il liquido, detto nematico.
Il display è costituito da uno strato molto sottile di cristallo liquido (spesso circa 20 micron), racchiuso tra due superfici piane trasparenti polarizzatrici (orientate in verticale e orizzontale).
LCDLe due superfici esterne sono ricoperte da una
sottile matrice di fili trasparenti e conduttori che formano una coppia di elettrodi e che individuano un preciso punto dello schermo.
Applicando un campo elettrico agli elettrodi è possibile orientare le molecole e lo strato di cristallo liquido diventa trasparente o riflettente alla luce.
Gli LCD si possono classificare in: Riflettenti (viene sfruttata la luce
dell’ambiente) Trasmissivi (viene utilizzata una luce interna)
LCD
Le stampanti ad aghi
Le stampanti ad aghi utilizzano una tecnologia basata su una matrice di aghi che imprimono un carattere su un foglio utilizzando un nastro ricoperto di inchiostro.
Vantaggi: Sono affidabili
Svantaggi: Sono lente producono immagini di bassa qualità
Stampanti inkjet
Le stampanti a getto d’inchiostro (inkjet) producono un’immagine spruzzando sottilissime gocce d’inchiostro su un foglio attraverso degli augelli. Sfruttano la sintesi sottrattiva del colore. Vantaggi:
producono immagini di buona qualità a colori Sono veloci Hanno un basso costo
Svantaggi: Le immagini appaiono imbrattate sui bordi che
delimitano una area colorata.
Stampanti Laser
Le stampanti laser usano un laser e un tamburo fotoconduttivo cilindrico su cui si depositano delle cariche elettrostatiche in corrispondenza dei punti di stampa.
Su questa matrice elettrica viene in seguito deposto un inchiostro in polvere, detto Toner, che viene elettrostaticamente attratto dalle zone in cui è presente l’immagine.
Infine, questa immagine latente viene portata su un foglio di carta ancora con un processo elettrostatico. La superficie del foglio viene infatti sollecitata con una carica uniforme ma di segno opposto a quella del toner.
La fusione a caldo del materiale plastico permette infine di fissare definitivamente l'inchiostro sul foglio.
Stampanti Laser
Vantaggi: La qualità delle immagini prodotte è molto alta Il costo di stampa è basso perché riescono a
stampare anche su normali fogli di carta
Svantaggi: Il costo di questi dispositivi è alto
Lo Scanner
E’ utilizzato per digitalizzare un immagine in una bitmap. Questo processo è ottenuto passando un fascio di luce contente delle lunghezze d’onda note sull’immagine e ricevendo la luce riflessa su semiconduttori fotosensibili (CCD: charged coupled device).
I CCD producono una tensione proporzionale all’intensità della luce che li colpisce.
La scansione può essere effettuata: Con tre passate una per ogni colore primario Con un’unica passata nel caso vengono usati 3 CCD
ognuno dei quali fotosensibili a uno dei tre colori primari. Questi ultimi sono evidentemente più costosi dei primi.
