1. S ISTEME DE PRELUCRARE A IMAGINILOR 1.1 ISTORIC Cel mai facil mod de comunicare între om si masinã este imaginea. Din acest motiv, încã de la începutul secolului XX s-a acordat o atentie deosebitã sistemelor de achizitie, procesare, redare si transmitere a imaginilor precum si sistemelor de memorare a lor în baze de date cu imagini, cu alte cuvinte sistemelor grafice. Primul sistem de transmisie a imaginilor prin cablu a fost sistemul Bartlane folosit în anii 1920 pentru transmiterea imaginilor de ziar în formã digitalã între Londra de New-York. Dacã în primii ani de dupã 1920 se codau imagini cu pânã la 5 nivele de strãlucire, în 1929 numãrul acestora a crescut la 15, urmând ca el sã se dezvolte foarte mult dupã 1931 când Comisia Internationalã a Luminii (CIE) a introdus standardul de codare a culorilor în sistemul RGB. Actualmente, marea majoritate a formatelor de imagine permit codarea a milioane de culori si 256 nivele de transparente pe 8, 16, 24 de biti. Aparitia în 1953 a primului calculator numeric, Whirlwind, la MIT (Massachusetts Institute of Technology), a însemnat si aparitia primului dispozitiv de afisare graficã. Au urmat, în 1955 sistemul de comandã si control Sage care utiliza un display grafic si un creion optic (light-pen), iar în 1958 primul plotter numeric produs de firma CalComp urmat la scurt timp de tableta graficã. Aceste echipamente grafice nu sunt ele însele sisteme grafice ci, de obicei sunt incluse în structura unui calculator permitând dezvoltarea unor interfete grafice mult mai accesibile marii mase a utilizatorilor obisnuiti precum si a softului si configuratiei hardware corespunzatoare pentru diverse domenii de aplicatie ale graficii pe calculator. Sistemele grafice pot fi sisteme de sine stãtãtoare sau pot fi înglobate într-un sistem complex cum ar fi un computer tumograf pentru aplicatiile din medicinã, o masã de croi pentru industria textilã, un simulator de zbor pentru aeronauticã. Oricare ar fi domeniul de aplicatie, trebuie remarcat faptul cã ele lucreazã cu imagini deci înglobeazã în ele un sistem de prelucrare a imaginilor, un
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1. SISTEME DE PRELUCRARE A IMAGINILOR
1.1 ISTORIC
Cel mai facil mod de comunicare între om si masinã este imaginea. Din
acest motiv, încã de la începutul secolului XX s-a acordat o atentie deosebitã
sistemelor de achizitie, procesare, redare si transmitere a imaginilor precum si
sistemelor de memorare a lor în baze de date cu imagini, cu alte cuvinte sistemelor
grafice. Primul sistem de transmisie a imaginilor prin cablu a fost sistemul Bartlane
folosit în anii 1920 pentru transmiterea imaginilor de ziar în formã digitalã între
Londra de New-York. Dacã în primii ani de dupã 1920 se codau imagini cu pânã la
5 nivele de strãlucire, în 1929 numãrul acestora a crescut la 15, urmând ca el sã
se dezvolte foarte mult dupã 1931 când Comisia Internationalã a Luminii (CIE) a
introdus standardul de codare a culorilor în sistemul RGB. Actualmente, marea
majoritate a formatelor de imagine permit codarea a milioane de culori si 256 nivele
de transparente pe 8, 16, 24 de biti.
Aparitia în 1953 a primului calculator numeric, Whirlwind, la MIT
(Massachusetts Institute of Technology), a însemnat si aparitia primului dispozitiv
de afisare graficã. Au urmat, în 1955 sistemul de comandã si control Sage care
utiliza un display grafic si un creion optic (light-pen), iar în 1958 primul plotter
numeric produs de firma CalComp urmat la scurt timp de tableta graficã.
Aceste echipamente grafice nu sunt ele însele sisteme grafice ci, de obicei
sunt incluse în structura unui calculator permitând dezvoltarea unor interfete
grafice mult mai accesibile marii mase a utilizatorilor obisnuiti precum si a softului
si configuratiei hardware corespunzatoare pentru diverse domenii de aplicatie ale
graficii pe calculator. Sistemele grafice pot fi sisteme de sine stãtãtoare sau pot fi
înglobate într-un sistem complex cum ar fi un computer tumograf pentru aplicatiile
din medicinã, o masã de croi pentru industria textilã, un simulator de zbor pentru
aeronauticã. Oricare ar fi domeniul de aplicatie, trebuie remarcat faptul cã ele
lucreazã cu imagini deci înglobeazã în ele un sistem de prelucrare a imaginilor, un
sistem care achizitioneazã, afiseazã, proceseazã, recunoaste sau redã imagini.
Perioada de dupã 1985 a adus în grafica pe calculator progrese
semnificative prin dezvoltarea statiilor de lucru puternice si introducerea pe scara
largã a calculatoarelor personale.
Dezvoltarea software-ului pentru grafica computerizatã si prelucrarea
digitalã a imaginilor este legatã de numele câtorva personalitãti în domeniu cum
ar fi Sutherland, Cohen, Evans, profesori la Universitãti de prestigiu din SUA. Ei au
pus bazele teoretice ale graficii computerizate fiind si fondatori ai unor firme de
prestigiu în domeniu. S-au urmãrit trei directii de dezvoltare soft:
- stabilirea bazelor teoretice si proiectarea unor limbaje grafice specializate
- modificarea sau adãugarea de noi instructiuni, structuri de date, etc la
limbajele existente frecvent utilizate în vederea utilizãrii lor în graficã
- crearea unor biblioteci de functii grafice în limbajele cunoscute
Bazele teoretice ale programãrii sistemelor grafice precum si primele
programe de graficã interactivã au fost scrise de cãtre Ivan Sutherland în anii
1960 în cadrul tezei sale de doctorat numitã Sketchpad care definea un sistem
grafic 2D si sustinutã la Massachusetts Institute of Technology (MIT). Calculatorul
pentru care au fost scrise programele era un TX-2 - primul calculator complet
tranzistorizat si echipat cu un display grafic vectorizat. El defineste o serie de
concepte noi cum ar fi programarea orientatã pe obiect, programarea interactivã în
timp real. De numele acestui precursor al graficii computerizate se leagã si
dezvoltãrile ulterioare în grafica 3D. Astfel, împreunã cu Dany Cohen lucreazã, la
Universitatea Harvard, la dezvoltarea primului simulator de zbor sub forma unui
sistem vectorizat 3D, iar în 1968 lucreazã, împreunã cu Dave Evans de la
Universitatea Utah la generarea în timp real a corpurilor 3D umbrite. În 1969,
Sutherland si Evans pun bazele Companiei Evans&Sutherland pentru echipamente
si programe grafice.
În 1963 firma General Motors initiazã proiectul DAC/1 (Design Augmented
by Computer) ca un prim proiect în domeniul proiectãrii asistate de calculator, iar
firma Lockheed utilizeazã primul sistem grafic pentru programarea masinilor unelte
cu comandã numericã.
În 1966 firma IBM initiazã proiectul DEMAND pentru dezvoltarea tehnicilor
de proiectare si fabricatie asistate de calculator. In cadrul acestui proiect alãturi de
IBM s-au implicat si firmele Lockheed, McDonnell-Douglas, Nort American
Rockwell, Rolls Royce, TRW , pentru fiecare din ele finalitatea proiectului
însemnând acumularea unei bogate experiente în grafica computerizatã ceea ce a
dus la realizarea ulterioarã a unor pachete de programe complexe.
În 1968 firma DEC (Digital Equipment Corporation) introduce în fabricatie
primul terminal grafic inteligent DEC338.
La noi în tarã s-au dezvoltat sisteme grafice la CTCE Cluj-Napoca, ITC
Bucuresti si ICI Bucuresti.
1.2 DOMENII DE APLICATIE ALE GRAFICII PE CALCULATOR
Din punct de vedere al modului de operare se disting douã domenii
pentru sistemele grafice si anume:
- prelucrarea imaginilor si recunoasterea formelor respectiv achizitia
imaginilor sub formã de semnal analogic, digitizarea, prelucrarea, analiza si
interpretarea imaginilor.
- grafica computerizatã ce implicã crearea, memorarea, operarea asupra
modelelor de obiecte si a imaginilor acestora.
Din punct de vedere al domeniilor de aplicatie pentru sistemele grafice
distingem:
- Sisteme de proiectare asistatã de calculator (sisteme CAD - Computer
Aided Design sau CAE - Computer Aided Engineering) cu subdomenii în toate
sferele activitãtilor de proiectare (design industrial, proiectare, design arhitectural,
grafic design, web design, etc)
- Sisteme de recunoastere a imaginilor cu aplicatii în roboticã în
recunoasterea vizualã bazatã pe modele de vedere (modelul insectei, de exemplu)
sau pe recunoasterea automata a culorilor sau formelor (dictionare de culoare,
dictionare de forme) si aplicatii în automatizarea proceselor de testare, industria
aeronauticã, sisteme de apãrare, etc
- Sisteme informatice în medicinã atât sub forma unor echipamente
superspecializate si tehnologicizate care înglobeazã în ele adevãrate sisteme
grafice (de exemplu computer tumograful, ecograful) cât si ca aplicatii care
deservesc institutiile de asistentã sanitarã cum ar fi de exemplu sistemul LANTIS
al firmei Siemens pentru managementul informational al institutiilor oncologice.
- Fabricatie asistatã de calculator (sisteme CAM - Computer Aided
Manufacturing) atât prin utilizarea robotilor pe liniile de fabricatie si în acest caz
sistemele grafice sunt subsisteme în acesti roboti cât si prin intermediul
echipamentelor specializate cum ar fi sisteme de machetare si realizare, masini
unelte cu comandã numericã, etc.
- Calculatoare cu elemente de inteligentã artificialã, adicã calculatoare cu
o interfata utilizator foarte apropiatã modelului uman de comunicare prin
intelegerea imaginilor, vorbirii, limbajului natural acest fapt însemnând
recunoasterea si generarea în timp real a unor simboluri grafice pe baza unor
limbaje evoluate care au la bazã gramatici corespunzãtoare. Se vor depãsi
restrictiile impuse de calculatoarele conventionale, aducând masina în sfera
umanã.
- Simularea si modelarea fenomenelor, reactiilor fizice, chimice sau umane
prin modele matematice, studiul comportãrii sistemelor sau omului în diverse
situatii se poate urmãri mult mai usor prin intermediul unui sistem grafic decât prin
ecuatii, formule, cifre.
- Animatia, productia de film, TV sau CD-uri este un domeniu în plinã
dezvoltare si implica prelucrari complexe de imagini, folosind soft-uri adecvate
instalate pe statii grafice puternice în vederea productiei de jocuri pe calculator, a
efectelor speciale sau chiar a editãrii filmelor sau a desenelor animate
- un varf este in exterior si altul in interior, caz in care se calculeaza
intersectia laturii cu marginea coresopunzatoare a ferestrei si in lista de
iesire se adauga varful din interior si intersectia.
2.4 FOTOREALISM IN TRATAREA IMAGINILOR 3D
Etapele realizãrii unei imagini 3D animate sunt urmãtoarele:- modelarea care corespunde creãrii de obiecte- renderizarea concretizatã prin calculul scenei- animatia
Oricare din aceste etape presupune calcule complexe si necesita platforme
hardware specializate pentru a se obtine imagini fotorealiste. Se impune
rezolvarea asa numitei probleme a fetelor ascunse adica pentru un obiect marginit
de fete poligonale se determina, pentru fiecare fata poligonala daca este in fata
tuturor celorlalte fete poligonale in vederea afisarii ei. Primii care au facut cercetari
in directia graficii fotorealiste au fost Henry Gouraud si Bui Tong Phong care au
realizat impresia de umbrire-netezire folosind efecte optice poligonale. Ei au fost
urmati de Ed Catmull care realizeaza in 1974 primele suprafete netede folosind
suprafete matematice netede numite petece de suprafata bicubica. Pentru
aproximarea suprafetelor Ed Catmull foloseste o metoda de impartire recursiva a
petecelor de suprafata bicubica pana aproape la dimensiunea unui pixel. Tot el
dezvolta si conceptul de Z-Buffer si imbinarea alfa (channel alpha) si foloseste
texturile pentru reprezentarea deformarilor geometrice ale imaginilor.
2.4.1 MODELAREA
Modelarea unui obiect într-un mediu 3D poate avea mai multe reprezentãri. Astfel avem:
a. modelul în fir de sârmã - a apãrut în anii ‘70 si obiectele sunt reprezentateprin puncte care unite dau forma obiectului. Ca dezavantaj major îl constituie faptulcã nu pot fi ascunse pãrtile care în realitate sunt ascunse vederii
b. modelarea poligonalã este foarte rãspânditã datoritã faptului cã se poategenera relativ usor aproape orice formã cu exceptia celor care au multe suprafeterotunjite si care prezintã greutãti în generarea lor.
c. modelarea cu forme solide cunoscutã si sub denumirea de modelare pe
volum are avantajul fatã de metoda anterioarã cã se pot reprezenta bine obiectelerotunjite si nu consumã multã memorie. Metoda lucreazã cu functii booleeneaplicate pe modele spatiale (intersectii, adunãri, decupãri aplicate pe sfere, cilindri,conuri, prisme, etc.) Dezavantajul metodei constã în faptul cã nu se pot face rapidmici retusuri întrucât nu se lucreazã punct cu punct. De aici rezultã si lipsa desuplete a metodei. Se utilizeazã douã tipuri de modeloare pe volum:
- modelare CSG (Constructiv Solid Geometry)- modelare prin reprezentãri prin limite (Boundary Representation)d. modelarea prin suprafete algebrice are la bazã principiul conform cãruia
se pot genera obiecte cu suprafetele obtinute pe baza ecuatiilor unor curbe. Celemai des utilizate sunt :
- curbele Bézier care au ca si caracteristicã faptul cã modificarea tangenteiîntr-un punct de control al curbei modificã toatã alura curbei si implicit a suprafeteiobiectului generat.
- curbele Beta-Splines la care, spre deosebire de curbele Bézier ,modificarea unui punct de control de-a lungul curbei provoacã doar modificarealocalã a curbei, respectiv a suprafetei.
- curbele NURBS (Non Uniform Rational Beta-Splines) permit modificarealiberã a curbei în orice punct nu numai în punctele de control.
- fractalii si obiectele fractale permit modelarea tarmului marii, lanturilormuntoase si ale altor forme naturale.
Dezavantajele acestui tip de modelare constã în faptul cã sunt necesareresurse hard (memorie internã, memorie video) puternice pentru a putea fi realizateîn timp real.
2.4.2 RENDERIZAREA
Operatia prin care unei scene modelate i se dã volum si aspect 3D poartãnumele de renderizare. Obiectele virtuale 3D sunt definite tridimensional însã eletrebuie vizualizate 2D (ecranul e plat). Prin transformarile matematice (proiectii,perspective) la care sunt supuse, ele pot fi percepute ca fiind tridimensionale.
Principalele tipuri de renderizare sunt:a. renderizarea în fir de sârmã se aplica atât obiectelor modelate în fir de
sârmã (care pot fi renderizate doar în acest mod) cât si obiectelor modelate prinalte tehnici. Este rapidã insã nu prezintã suficientã claritate a imaginii, luminii,culorilor. Este utilizatã în general pentru a genera preview-uri rapide, efecteartistice, etc.
b. renderizarea în fete ascunse constã în eliminarea fetelor care nu se vãddin scenele proiectate. Se aplicã mai multe tipuri de algoritmi printre care amintim:
- algoritmul pictorului sau Z-sort prin care obiectele apropiate mascheazã obiectele aflate în planul mai îndepãrtat
- algoritmul Roberts care se realizeazã în doi timpi:- prima etapã constã în eliminarea fetelor care apartin
obiectului si care sunt mascate de obiectul însusi prin pozitia sa fatã de observator
- în a doua etapã se comparã fetele rãmase din volumele prezente si se afiseazã doar cele din prim plan
- algoritmul Warnock aplicã principiul coerentei spatiale conform cãruia douã zone foarte apropiate sunt foarte asemãnãtoare.
Algoritmul constã în divizarea spatiului imagine în zone care pot fi tratate si afisate simplu.
- algoritmul Z-Buffer rezolvã mascarea pãrtilor ascunse ale unui obiect prin introducerea unei memorii tampon în care sunt pãstrate temporar coordonatele axei de profunzime pentru fiecare pixel al ecranului.
c. renderizarea prin modele de iluminare care stabilesc o reprezentarematematicã a comportamentului luminii. Modelele de iluminare lucreazã cu cele treicomponente fundamentale ale luminii si anume:
- luminozitatea ambiantã care constã în lumina difuzã care vine din toate directiile cu aceeasi intensitate si care are ca prim rol atenuarea contrastelor
- reflexia difuzã corespunde absorbtiei fascicolului luminos proiectat pe o suprafatã, urmatã de o reflexie difuzã de energie luminoasã în toate directiile.
- reflexia specularã manifestatã prin strãlucirea obiectelor iluminateS-au dezvoltat douã tipuri de modele de iluminare: - modele locale de iluminare care trateazã efectul direct al luminii asupra
obiectului si sunt utilizate impreuna cu metoda Z-buffer. Lumina aplicata directasupra unui obiect determina umbriri si umbre. Exista trei metode de umbrire:
- umbrirea Lambert este cea mai rapida si cea mai simpla. Ea consta in impartirea obiectului in poligoane, fiecarui poligon atribuinduise o nuanta de culoare in functie de dimensiunea sa si pozitia sa fata de sursa de lumina.
- umbrirea Gouraud foloseste tot poligoane dar pe care le umple cu culoare pornind de la varfurile poligonului si determinand culoarea fiecarui punct din interiorul poligonului cu ajutorul unui procesor de interpolare.
- umbrirea Phong calculeaza culoarea fiecarui pixel din interiorul unui poligon pornind de la normala la suprafata a poligonului si normalele
poligoanelor adiacente vizibile. - modele globale de iluminare care trateazã mai subtil luminozitatea
ambiantã cât si reflexiile indirecte (ale obiectelor unele în altele). Cele maicunoscute modele globale de iluminare sunt :
- modelul Ray-Tracing dezvoltat de Turner Witted in anii ‘80 are douãcomponente: forward si backward RT. Principiul de bazã în Ray-Tracing constã înurmãrirea traiectoriei razelor luminoase proiectate pe o scenã si evaluarealuminozitãtii (culorii) în fiecare pixel al ecranului, calculându-se intensitatealuminoasã a fiecãrei intersectii a razei proiectate cu obiectele care compun scena.Modelul exploateaza proprietatile fenomenelor de refractie si reflexie din opticageometrica. Cu ajutorul lui se pot reprezenta obiectele reflectate in alte obiectelucioase, insa acest model nu ia in calcul iluminarea reciproca a obiectelor.
- modelul Radiosity dezvoltat de Don Greenberg trateazã iluminareamutuala intre obiectele unei scene prin difuzia luminii pe acea scenã (mediul careradiaza). Radiositatea este energia pe unitatea de suprafatã care pãrãseste osuprafatã datã în unitatea de timp si este suma dintre energia emisã si ceareflectatã. Este cea mai buna metoda de modelare, dar si cea mai lenta din cauzasetului mare de ecuatii care trebuie rezolvate. Nu pot fi reprezentate reflexiile si dinacest motiv obiectele par mate iar cele care ar trebui sa straluceasca suntintunecate.
Nici unul din acesti algoritmi de renderizare fotorealista nu ia in calcul timpulde lucruei fiind destul de lenti chiar pe supercalculatoare. Pentru oricare dinmodelele prezentate existã si algoritmi de optimizare care realizeazã uncompromis între viteza si calitatea renderizãrii, insa pentru obtinerea de imaginifotorealiste in timp real se folosesc module hardware specializate.
3. TENDINTE DE DEZVOLTAREA GRAFICII COMPUTERIZATE
Aparitia de noi domenii in grafica computerizata a insemnat si noi fronturi de
cercetare ce vizeaza in principal urmatoarele obiective:
- obtinerea de imagini fotorealiste in timp real si independente de dispozitiv
- animatii realiste fara miscari sacadate
- grafica interactiva pentru conexiunea cu baze de date sau banci de imagini
in special pentru e-comert.
In ceea ce priveste imaginile realiste independente de dispozitiv acestea
sunt necesare atat in informatica medicala cat si in alte aplicatii CAD sau CAE.
Desi sistemul de codare al culorii este singurul invariant in raport cu formatul de
imagine, culoarea stabile este cel mai greu de mentinut la transferul de pe o
masina pe alta. Acest fapt a determinat in ultimii ani dezvoltarea mai multor sisteme
performante de management a culorii implementate atat prin soft cat si hard prin
stabilirea unor noi caracteristici pentru RGB sub forma standardelor sRGB propus
de firma Adobe care este un sistem RGB restrictiv si mai nou (sfarsitul anului 2001)
standardul e-sRGB (extended sRGB)propus de PIMA (Photographic and Imaging
Manufacturing Association). Standardele sRGB si e-sRGB pot fi folosite cu succes
atat in productia TV cat si in web design, productia de carte electronica, etc. Se
estimeaza ca pana in 2020 productia de carte electronica pe CD sau direct in
librariile virtuale de pe site-uri sa fie de aproximativ 65% din productia totala de
carte ceea ce va determina noi cercetari in domeniul atat a codarii imaginilor cat si
a formatelor de imagine.
De asemenea, diferenta intre sRGB si CMYK nu mai este atat de mare
astfel incat tiparirea unei imagini sRGB dintr-o carte electronica (e-book) nu mai
devine o catastrofa.
Tot in domeniul sistemelor de management a culorii la Conferinta PICS din
2000 firma Kodak prezinta un nou sistem de codare a culorii independent de device
si anume sistemul metric de referinta pentru intrari/iesiri RGB (RIMM/ROMM RGB)
cu respectarea specificatiilor ICC de definire a PCS (Profile Connection Space).
Din punct de vedere al animatiei si productiilor de film sau TV, la sfarsitul
anului 2001 produsul Flash 5 de la firma Macromedia a fost declarat ca produs
standard pentru editarea TV, intrand astfel in concurenta directa cu produsele
Adobe Premmiere si After Efects ale firmei Adobe.
Data fiind multitudinea de domenii de aplicatie pentru imaginile digitale
prezentate in capitolul 1, domenii care sunt de mare interes atat stiintific cat si
pentru industrie si dezvoltarea societatii este de asteptat alocarea de fonduri pentru
cercetarea in domeniu.
Bibliografie selectivã
1. Aurel Vlaicu - Prelucrarea digitala a imaginilor, Editura Albastrã, Cluj-Napoca,19972. Cãlin Cãlin - Prelucrarea imaginilor pe calculator, Casa Cãrtii de Stiintã, Cluj-Napoca, 19983. Daniel Lee - Coding of Still Pictures (ISO/IEC JTC!/SC29/WG1 N1814), 20004. Richard Clark - An Introduction to JPEG 2000 and watermarking, Elysium Ltd,2000 (http://www. elysium.ltd.uk)5. Dorian Gorgan, Dan Rusu - Elemente de grafica pe calculator, Editura Sigma,Cluj-Napoca 19956. Marin Vlada, Ioan Nistor, Adrian Posea, Calin Constantinescu - Grafica pecalculator in limbajele Pascal si C, vol I si II, Editura Tehnica, Bucuresti 19927. Florica Moldoveanu si altii - Sisteme grafice, Editura Tehnica, Bucuresti, 19958. Alexandru Irod - De la Gutenberg la microprocesor, Editura Stiintifica sienciclopedica, Bucuresti, 19829. Abraham Moles - Arta si ordinator, Editura Meridiane, Bucuresti, 197410. Phillip Kerman - Macromedia Flash 5, Editura Teora, Bucuresti 200111. Betsy Bruce - Macromedia Dreamweaver 3, Editura Teora, Bucuresti 200112. Michael Todd Peterson - Fundamente 3D Studio Max 2 - Editura Teora,Bucuresti, 200013. Dan Giordan, Steve Moniz - Utilizare Adobe Photoshop 5, Editura Teora,Bucuresti, 199914. *** - Adobe Photoshop, User guide and Tutorial, Adobe Sistem Incorporated,USA, 199315. *** - Aldus Freehand, User Manual, Aldus Corporation, USA, 198816. *** - CIE Expert Symposium - Extended Range Color Spaces (abstracts),Arizona, USA, nov. 200017. http://www.inforamp.net/~poynton/Poynton-colour.html
Charles Poynton - Color FAQ - background information, USA, 1994Charles Poynton - Understanding colour, USA, 1999