Download - Cunostinte de Baza
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
- DTP - DeskTop Publishing - vizeazã elementele de pre-press electronic
în productia de carte, ziar sau alte materiale tipãrite precum si domeniul nou al
productiei de carte electronicã (e-book) sau bibliotecile electronice (e-library).
- Birotica este un domeniu care utilizeazã foarte multe documente,
formulare, imagini, simboluri grafice care trebuie create, codificate, editate,
memorate în banci de date, regãsite, transmise, receptionate în structuri
informationale. Clasificarea si utilizarea acestor date se face mult mai productiv
printr-un sistem cu o interfata grafica accesibila, tinând cont si de faptul cã cei ce-
l utilizeazã au cunostinte minime de calculatoare.
- Comertul presupune atât utilizarea de elemente grafice de identificare
automatã cum ar fi codurile de bare cãt si interfete grafice conectate cu baze de
date pentru comertul electronic (e-commerce) sau mai noile domenii B2B
(bussiness to bussiness) sau M2M (market place to market place).
Toate aceste domenii de aplicatie ale sistemelor grafice reprezintã tot
atâtea directii de dezvoltare ale graficii computerizate si în special a prelucrãrii
digitale a imaginilor ca parte componentã a unui sistem grafic. Cãnd spunem
graficã spunem implicit imagine fie ea vectorialã si atunci vorbim despre grafica
vectorialã, fie imagine raster si atunci ne referim la grafica care trateazã harti de
puncte (pixeli, dots). Existã doar aceste douã moduri de tratare a unei imagini fie
ca ea reprezintã un obiect 3D sau o 2D.
1.3 SISTEME GRAFICE
1.3.1 MODELE DE SISTEME GRAFICE
Performantele sistemelor grafice sau a sistemelor de prelucrare
computerizata a imaginilor sunt direct proportionale cu suportul tehnologic
respectiv posibilitãtile tehnologice de realizare a lor. Modelul de referinta al unui
sistem grafic este prezentatã în figura de mai jos.
Fig. 1. Modelul de referintã al unui sistem grafic
Aplicatia graficã
Dispozitivede stocare(memorare)
Nivel aplicatie
Nivel virtual
Nivel logic
Nivel fizic
Operator
Interfata aplicatiei
Interfata cu disp. de stocare
Interfata operator
SISTEM GRAFIC
statia de lucru
Aceastã structurare pe nivele a unui sistem grafic permite definirea de
sarcini precise pentru fiecare din cele patru nivele, cu stabilirea legãturilor dintre
ele. Se observã cã un sistem grafic pe care ruleazã o aplicatie graficã existã atât o
interfatã cu operatorul cât si interfata aplicatiei grafice. Dispozitivele de stocare a
imaginilor sau, la modul general al graficii rezultate, precum si interfata cu ele sunt
externe sistemului grafic propriu-zis. Nivelul fizic si logic constituie statia de lucru
ele reprezentãnd hardware-ul respectiv software-ul statiei grafice. Intr-un sistem
grafic pot exista mai multe statii de lucru, fiecare cu propriul nivel fizic si logic.
Nivelul virtual este constituit la nivelul conceptelor, modelelor care stau la baza
definirii nivelului aplicatie.
Utilizatorul trebuie sã poate controla în mod dinamic continutul, formatul,
culoarea, dimensiunea imaginilor prin intermediul echipamentelor grafice cum ar fi
mouse-ul, tastatura, tableta graficã, etc. Dupã James D. Foley si Andries van Dam
un astfel de sistem poartã numele de sistem de graficã interactivã, iar modelul sãu
conceptual este prezentat mai jos.
Pornind de la acest model s-au dezvoltat douã directii în grafica 3D: grafica
fotorealistã si grafica în timp real.
Grafica fotorealistã (photo-realism graphics) urmãreste obtinerea unor
imagini cât mai realiste caracterizate prin suprafete cu aspect cât mai natural,
corpuri transparente, suprafete lucioase si reflectorizante, umbre si lumini de la
diverse surse de luminã, corpuri complexe cu fete si muchii ascunse. Nu se tine
cont de timpul necesar pentru a se obtine aceste efecte.
Grafica în timp real (real-time graphics) are în vedere în primul rând timpul
de lucru respectiv viteza de trasare, interactiune trebuie sã fie de cel putin 10 cadre
pe secundã. Performante bune se obtin doar prin adãugarea de module hardware
specializate (statii grafice, placi video cu accelerator grafic, de exemplu). Se
considerã cã procesoarele RISC ale firmei Motorola cu care sunt echipate
calculatoarele McIntosh sunt cele mai bune pentru grafica interactivã simplã dar
Modelaplicatie
Programaplicatie
Sistemgrafic
(software)
Dispozitivegrafice deintrare /iesire
Operator
Fig. 2. Modelul conceptual al unui sistem grafic interactiv
cele mai bune performante se obtin cu statiile grafice performante cum ar fi Iris
4D/VGX de la Silicon Graphics, APOLLO 9000 model 750 de la Hewlett Packard,
DEC station 5000/33, Sun2GT, AVS Graphics, etc.
1.3.2 STANDARDE
Fie cã abordãm grafica în timp real, fie grafica foto-realistã este necesarã
o interfata graficã de programare. De-a lungul timpului s-au dezvoltat mai multe
standarde pentru pachetele de programe de graficã interactivã, astfel:
1977 - ACM CORE
1984 - GKS (Graphical Kernel System)
1985 - PHIGS+ (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)
1986 - GKS-3D si PeX
1995 - VRML 1.0 (Virtual Reality Modelling Language)
1996 - VRML 2.0 (VRML 97)
Inainte de 1980 au fost stabilite prea putine specificatii pentru grafica
interactivã, iar cele existente prezentau neajunsurile inerente oricãrui început.
Astfel singurele reprezentative pentru acea perioadã erau interfata PS/2 (Picture
System II) si ACM CORE. Standardul CORE continea o bibliotecã de rutine grafice
GL (Graphics Library) foarte mare, motiv pentru care un program scris sub acest
standard era foarte greu de descifrat. Interfata PS/2 incerca sã rezolve necesitãtile
de lucru în timp real. Standardul GKS introduce specificatiile referitoare la 2D, iar
PHIGS+ pierde mult timp cu gestionarea listelor de afisare la terminalele grafice.
Transmisia datelor pentru a fi afisate pe terminalele grafice era destul de lentã, ea
fiind realizatã prin intermediul unei interfete seriale RS 232, deci de micã vitezã. Se
impunea astfel gãsirea unei modalitãti de stocare a datelor într-un terminal grafic
semi-inteligent, primele terminale de acest gen fiind cele din familia AMD 2900. Din
combinarea interfetei PHIGS cu X Window System s-a dezvoltat versiunea PeX.
Pornind de la terminalele semi-inteligente care puteau memora informatiile
grafice în terminal s-au dezvoltat primele statii de lucru în care structurile de date
erau înlocuite cu subrutine care se apelau unele pe altele. Apare astfel conceptul
de mod imediat în care desenarea începe în momentul când o statie de lucru trimite
comenzi grafice unui sistem grafic care le executã imediat fãrã a mai fi puse într-o
listã de afisare. Aceastã metodã foarte simplã a fost exploatatã de cei de la Silicon
Graphics care au dezvoltat modul de lucru imediat pentru toate comenzile GL.
1.3.3 PRIMITIVE SI CERINTE LA UN SISTEM GRAFIC
Notiunile fundamentale cu care lucreazã un sistem grafic sunt:
- sistemul de coordonate
- primitivele de intrare
- modelul de intrare
- primitivele de iesire
- aspectul primitivelor
- atributele primitivelor
- modelul de iesire
- stocarea
Cerintele fatã de un sistem grafic sunt urmãtoarele:
- portabilitate
- flexibilitate
Din punct de vedere al portabilitãtii unui sistem grafic acesta trebuie sã
îndeplineascã urmãtoarele conditii de independentã fata de :
- dispozitiv
- limbaj
- calculator
- programator
Cel mai sensibil si cel mai greu de controlat element din cadrul unui sistem
grafic fata de dispozitiv este culoarea. Poate din acest motiv ultimele cercetãri în
domeniul graficii computerizate atât în ceea ce priveste tehnologia si partea de
dispozitive de intrare / iesire cât si modelele conceptuale de reprezentare vizeazã
în mod deosebit culoarea.
1.3.4 SISTEME DE COORDONATE
In grafica interactivã este necesar ca cel ce face prelucrarile
(programatorul) sã lucreze intr-un sistem de coordonate ales de el, fãrã sã tinã
seama de sistemul de coordonate al dispozitivului grafic de afisare.
Sistemele grafice acceptã trei sisteme de coordonate:
- sistem de coordonate universale (reale)
- sistem de coordonate normalizate
- sistem de coordonate fizice de dispozitiv.
Sistemul de coordonate reale sau universale este un sistem cartezian ales
de utilizator pentru a descrie imaginile si este independent de dispozitiv.
Sistemul de coordonate normalizate este un sistem cartezian în care
coordonatele pot lua valori în intervalul [0,1]x[0,1] si cu ajutorul lui se defineste
suprafata de vizualizare a unui dispozitiv abstract, independent de statia de lucru.
Sistemul de coordonate fizice de dispozitiv este un sistem cartezian propriu
suprafetei de vizualizare a unui dispozitiv deci este dependent de statia de lucru.
Intr-un sistem grafic se pot defini mai multe sisteme de coordonate reale,
atâtea sisteme de coordonate fizice de dispozitiv câte statii de lucru existã în acel
sistem si numai un singur sistem de coordonate normalizate.
Relatia si transformãrile dintre sistemele de coordonate sunt prezentate în
figura urmãtoare [Gorgan D., Dan Rusu]:
Transformarea de normalizare separã partea dependentã de statie din
definitia imaginii de cea independentã de statie, permitând totodatã memoarea pe
termen scurt sau lung a segmentelor de imagine într-o forma independentã de
dispozitiv.
Coordonatereale
Coordonatenormalizate
Coordonatefizice de
dispozitiv
transformãri de normalizare
transformãride statie
transformãri de segmentare
Fig. 3. Sistemele de coordonate ale unui sistem grafic
Transformarea de statie are ca scop utilizarea completã a suprafetei
dispozitivului de afisaj, permitând desenarea unei imagini la o scara doritã.
Aceste transformãri pun în discutie spatiul (fereastra) de afisaj si implicit
decuparea imaginii pentru a putea fi afisata. In capitolul .. vom trata principalii
algoritmi de decupare si afisaj pentru obiecte 2D si 3D.
1.4 STRUCTURA UNUI SISTEM DE PRELUCRARE A IMAGINILOR
Sistemele de prelucrare a imaginilor se identificã tot mai mult în structura
lor cu cea a unui calculator asa cum l-a definit John von Neumann în 1945.
În figura 4 este prezentatã schema bloc a unui sistem de prelucrare
computerizatã a imaginilor [Gorgan D].
Interfata decomunicatie
imagini
Procesor de imagini
Baze de datecu imagini
Sisteme dememorare
imagini
Dispozitive de redareimagini
Dispozitive de achizitie
imagini
Fig. 4. Schema bloc a unui sistem grafic
1.4.1 PROCESORUL DE IMAGINI
Este de obicei o statie graficã sau un calculator echipat corespunzãtor
prelucrãrii de imagini respectiv cu memorie internã si memorie video de capacitate
mare si un procesor rapid, echipate cu softul corespunzãtor prelucrãrii de imagini.
El are ca functie atât prelucrarea imaginilor în vederea obtinerii acuratetii lor cum
ar fi prelucrãri la nivel de pixel, scalãri, rotiri, decupãri, neteziri, intensificãri ale
imaginilor, operatii asupra culorilor, cât si analiza si interpretarea imaginilor în cazul
sistemelor complexe de proiectare/diagnosticare/productie asistatã de calculator.
1.4.2 DISPOZITIVELE DE ACHIZITIE IMAGINI
Au ca element principal senzorul de imagine sensibil într-o anumitã zonã
a spectrului energetic electromagnetic si digitizorul care converteste semnalul
analogic primit de la senzor in semnal digital. Cele mai uzuale dispozitive
videocaptoare sunt cele din domeniul vizibil si care sunt compuse din elemente
semiconductoare discrete - fotocapacitati MOS care dau la iesire un semnal
proportional cu intensitatea luminii incidente. Tehnologia utilizatã se bazeazã pe
circuite cu transfer de sarcinã CCD (charge coupled devices). Existã douã tipuri de
astfel de dispozitive videocaptoare in functie de modul de dispunere a elementelor
CCD si anume dispozitive liniare si dispozitive matriceale.
Din punct de vedere al realizãrii lor dispozitivele de achizitie de imagine pot
fi scannere, camere foto digitale, camere video digitale, tablete grafice, digitizoare,
ecran interactiv, creionul optic, mouse-ul sau joystick-ul cu ajutorul cãrora se preiau
imaginile în vederea procesãrii lor. Trebuie remarcat faptul cã imaginile preluate vor
fi întotdeauna sub formã de bitmap adicã vor fi memorate sub forma unei hãrti de
puncte (pixeli) având în acest caz imagini raster, spre deosebire de imaginile
create cu ajutorul programelor de graficã care pot fi memorate si sub forma
ecuatiilor care le definesc, în acest caz fiind vorba de imagini vectoriale.
1.4.2.1 SCANNERE
Din punctul de vedere al calitãtii imaginii obtinute, scanarea unei imagini
este de departe cel mai bun mod de a achizitiona o imagine.
In functie de tipul de suport de scanat avem scannere care exploreazã
transparenta suportului în cazul scannerelor de film negativ si diapozitive si
scannere care fac citirea unei imagini prin unda reflectatã de cãtre suportul dur în
cazul scannerelor flatbed, drum.
In functie de sursa de luminã folositã avem scannere cu lampi cu halogen
(majoritatea scannerelor flatbed si de film) si scannere cu razã laser (cazul drum
scan.)
Scanarea color se face întotdeauna în sistem RGB, obtinându-se pentru
fiecare din cele trei componente câte o variantã a imaginii, urmând ca acestea sã
fie unite pentru a crea imaginea finalã. In functie de productivitatea scannerului,
cele trei variante se obtin fie intr-o singurã trecere, fie prin trei treceri succesive
peste o linie de imagine. Fiecare din aceste metode de scanare depinde de tipul si
numãrul rândurilor de senzori CCD (fotocelule) si de modul lor de dispunere: liniar
sau matriceal. Cele mai multe tipuri de scannere folosesc un singur rând de
fotocelule, aranjate liniar. In acest caz, pentru a obtine o imagine color, vom avea
fie trei treceri peste o linie si respectiv, schimbarea a trei filtre red, green, blue in
fata senzorilor, pentru fiecare trecere câte unul, fie trei surse de luminã diferite.
Cealaltã variantã ar fi utilizarea a trei rânduri de celule fotosensibile, fiecare rând
cu propriul filtru si utilizarea unei singure surse de luminã. O linie din imagine va fi
capturatã astfel intr-un singur pas.
Din punt de vedere functional, un scanner are ca principale elemente
componente urmatoarele:
- sursa de luminã
- celule fotosensibile
- sistem de antrenare pas-cu-pas fie a sursei de lumina, fie a suportului cu
imaginea
- sistem de lentile si oglinzi pentru focalizarea razei reflectate pe celula
fotosensibilã.
Numãrul de celulele fotosensibile de pe un rând defineste rezolutia opticã
orizontalã, iar mãrimea pasului de deplasare a sursei de luminã sau a suportului
determina rezolutia optica verticalã. Rezolutia opticã este deci rezolutia realã pe
care o oferã un scanner, rezolutiile prin interpolare oferite de diversi producatori
sunt doar aproximari mai mult sau mai putin apropiate de realitate. De exemplu, o
rezolutie optica de 300x600 (maxim pentru HPIIC) corespunde celor 300 de
fotosenzori existenti pe bara cu fotocelule respectiv pasul de 1/600 inch. Aceasta
rezolutie este reala si daca dorim o acuratete mai mare, ceea ce scannerul din
exemplu nu ne permite, putem face un compromis marind dimensiunile imaginii,
fapt permis de sistemul de oglinzi si lentile. In acest caz, calitatea imaginii depinde
de abilitatea operatorului de a exploata celelalte elemente ale unui scanner.
Urmeaza apoi prelucrarea imaginii intr-un program specializat care foloseste
metode evoluate de interpolare.
Unitatea de masura pentru rezolutie este de dots per inch, prescurtat dpi.
Exista o interdependenta intre rezolutia de scanare, dimensiunea imaginii
scanate si dimensiunea fisierului rezultat. Dimensiunea mare a originalului sau
marirea imaginii de scanat va determina fisiere mari. De asemenea, cu cat
rezolutia este mai mare, dimensiunea fisierului creste si ea. Astfel, o imagine
originala 8x10 inch scanata 1:1 la o rezolutie de scanare de 1200 dpi, 24 bit-color,
va genera un fisier de aproximativ 345,6 Mo, dimensiune care va crea probleme la
prelucrarea imaginii.
O problema deosebita care apare in cazul unei scanari este cea legata de
extremele foarte stralucitoare, luminoase respectiv cele foarte intunecoase,
cunoscuta sub numele de dynamic range. Acuratetea acestor zone depinde atat de
tipul suportului de pe care se scaneaza, de granulatia hartiei foto sau tiparite cat si
de plaja de tonuri pe care o poate recunoaste si reda scannerul. Punctul minim la
care un scanner detecteaza detalii se numeste Dmin (densitate minima), iar cel
peste care nu mai detecteaza decat negru este cunoscut sub denumirea de Dmax
(densitate maxima). Sub Dmin, un scanner va detecta doar alb, iar peste Dmax
doar negru.
dynamic range = Dmax - Dmin
Valoarea acestei marimi este 0.0 pentru alb, caz in care nu se detecteaza
nici un detaliu si 4.0 pentru negru (full dynamic range), caz ideal, in care se
detecteaza toate detaliile. Cele mai multe scannere au valori sub 2.4, iar cele care
fac scanarea pe 30 sau 36 biti pot ajunge pana in jurul valorii de 3.0. Aceasta
caracteristica determina direct acuratetea unei imagini.
Tipuri de scannere: flatbed, film, drum, print
Scannere flatbed
Scannerele flatbed folosesc sistemul reflexiv de “citire” a imaginilor si sunt
folosite atat pentru imagini alb/negru cat si pentru cele color. In functie de
caracteristicile date de fiecare producator, acest tip de scanner se poate folosi
pentru scanarea de la fotografii la opere de arta, cu rezultate pret / performanta /
timp destul de bune.
De asemenea, acest tip de scannere sunt folosite si cu sisteme OCR
(optical caracter recognition) de conversie a unui text printat intr-un text care sa
poata fi editat. In cazul scannerelor flatbed, suportul de pe care se scaneaza sau
obiectul care se scaneaza trebuie sa fie netransparent. Pentru a scana si imagini
de pe suport transparent, majoritatea scannerelor flatbed sunt echipate cu o unitate
de scanare de pe suport transparent (folii, film, diapozitive), unitate care de obicei
este montata in capacul scannerului.
sursadelumina
sistem CCD(fotosenzori)
sistem delentile si oglinzi pentrufocalizarea si reflexia
razei de luminacapacul cu sursaluminoasa pentru
transparentesistem de citire
sausistem de antrenarepas-cu-pas a sistemului de citire sau a imaginii
Fig. 5. Schema bloc a unui scanner flatbed
Scannere de film sau suport transparent
Scannerele pentru film negativ sau diapozitive exploreaza transparenta
suportului, schema de functionare difera de cea a scannerelor flatbed doar prin
pozitionarea sursei de lumina fata de suport. Datorita cadrelor de film de
dimensiuni relativ reduse (aprox. 1x2,3 inch), rezolutia de scanare trebuie sa fie
suficient de mare pentru a se obtine imagini de calitate si la o dimensiune mai
mare. Uzual se folosesc scanari la rezolutii de 1800, 2400, 3600 dpi. Avantajele
acestor scannere decurg din faptul ca se elimina pe de o parte toate operatiile
intermediare de prelucrare a unei fotografii, operatii care pot induce distorsiuni ale
imaginii, in special in culoare din cauza mastilor de film, a substantelor folosite si a
granulatiei pentru hartie folosite pentru protectie de diversi producatori. Un alt
avantaj este faptul ca factorul dynamic range are o valoare buna, practic nu se
pierde nimic din ceea ce este pe un film.
Drum scannere
Drum scannerele se folosesc atunci cand acuratetea imaginii este mult mai
importanta decat pretul de scanare. Se pot scana imagini tiparite, fotografii, opere
de arta, ata de pe suport netransparent cat si de pe suport transparent. Diferenta
fata de celelalte tipuri consta in faptul ca imaginea de scanat se prinde pe un
cilindru de sticla care se invarte si imaginea este citita linie cu linie de catre o celula
fotomultiplicatoare (laser). Un spot luminos baleieaza imaginea de scanat si unda
reflectata respectiv transmisa pentru transparente este masurata de aceasta.
Scanarile se pot face atat RGB cat si CMYK , la rezolutii de peste 12500 dpi,
obtinandu-se cele mai subtile detalii atat pentru punctele luminoase cat si pentru
cele intunecate, factorul dynamic range fiind in acest caz cel mai bun. Problemele
la o astfel de scanare sunt determinata de platformele hard de prelucrare propriu-
zisa deoarece la rezolutii atat de mari si fisierele sunt foarte mari.
Print (photo) scannere
Print sau photo scannerele se folosesc in general in aplicatii care nu
necesita imagini de o acuratete deosebita, cum ar fi de exemplu, scanarea de
fotografii pentru arhivare, deoarece rezolutia optica pe care acestea o ofera nu este
foarte buna. De obicei ele sunt montate pe o imprimanta laser astfel incat
imprimanta poate juca si rolul de copiator (de exemplu imprimanta HP1100A).
1.4.2.2 CAMERE FOTO DIGITALE
Capturarea de imagini cu ajutorul camerelor digitale are avantajul major ca
o imagine este obtinuta direct in format digital, cu un cost minim, eliminandu-se atat
fazele intermediare din procesul clasic (prelucrare film, scanare) cat si erorile
introdu-se de acestea. Filmul clasic este inlocuit cu un senzor de imagine (charge
coupled device - CCD).
Dezavantajul consta in faptul ca deocamdata nu se poate obtine aceeasi
calitate ca in cazul scanarilor de poze, film, etc. Se preteaza mai mult pentru presa
cotidiana sau web. Producatorii consacrati de aparate de fotografiat clasice s-au
adaptat repede noilor tendinte. E vorba de Kodak, Canon, Minolta, carora li s-au
adaugat Olympus, Hewlett Packard, Intel. Concurenta a determinat, pe langa
scaderea drastica a pretului unui aparat digital si dezvoltarea lor rapida,
imbunatatirea caracteristicilor si facilitatilor, de exemplu realizarea de fotografii
panoramice inlantuite sub forma unui mic film. S-au dezvoltat in paralel
dispozitivele miniaturizate de stocare a informatiei gen card, memory stick, memory
flash, etc.
Formatul standard de inregistrare al unei imagini achizitionate cu o camera
digitala difera de la un producator la altul, distingandu-se doua standarde:
- EXIF (Digital Still Camera Image File Format Standard) sustinut de Kodak si Fuji
si
- CIFF (Camera Image File Format) propus de Canon
Cele mai importante componente din structura unei camere digitale sunt
lentilele, senzorul de imagine si suportul de memorare. Calitatea lor determina
rezolutia imaginii achizitionate. Domeniile de aplicatie pentru camerele digitale sunt
cele care necesita obtinerea de imagini intr-un timp scurt si cu un cost minim, fara
a se pune problema unor calitati deosebite, domenii ce vizeaza in principal
productiile web sau productia de ziar. Uzual, pentru web se foloseste o rezolutie de
640x480 (minim cat ofera o camera digitala), ceea ce permite obtinerea unui numar
mare de imagini, fara a fi nevoie de dispozitive de memorare auxiliare.
1.4.3 DISPOZITIVE DE REDARE A IMAGINII
Dispozitivele de redare a imaginilor sunt de urmãtoarele tipuri:
- dispozitivele de afisaj gen monitoare de calculator, TV
- dispozitivele de înregistrare a imaginilor în vederea redãrii lor respectiv
inregistrare pe banda video, pe suport optic sau magneto-optic (CD, DVD)
- dispozitivele de imprimare: imprimante matriceale, cu jet de cernealã,
laser, alb-negru sau color, plotere
1.4.3.1 DISPOZITIVELE DE AFISAJ
Un loc important în dezvoltarea sistemelor grafice îl ocupã evolutia
dispozitivele de afisare graficã sau, cum se mai numesc, display-urile grafice sau
monitoarele. Cele mai uzuale sunt cele bazate pe tub catodic - monitoarele CRT,
dar existã si monitoare cu plasmã sau cu cristale lichide (LCD).
Evolutia display-urilor grafice CRT a cuprins trei etape:
1. Vector Based Display au fost primele aparute si aveau in structura lor,
pe langa tubul catodic si un generator de vectori cu elemente de interactiune cu
creionul optic sau cu tableta grafica. Dezavantajul lor era ca rata de refresh era
destul de mica, de aproximativ 30 de ori pe secunda ceea ce impunea folosirea
unui numar limitat de vectori deci desene simple. Cresterea vitezei de refresh
insemna si cresterea vitezei de transfer de la unitatea centrala la dispozitivele
periferice (monitor in acest caz) ceea ce la acea vreme (anii ‘50) se putea realiza
numai prin intermediul unor interfete foarte scumpe.
2. Direct View Storage Tub (DVST) - tub catodic cu memorie a aparut la
sfarsitul anilor ‘60 si au insemnat o adevarata revolutie in domeniu. Producator era
firma Tektronix. Prezentau totusi doua dezavantaje majore si anume faptul ca nu
permiteau animatie si stergerea partiala a unui desen insemna de fapt stergerea
lui totala si redesenare.
3. RAM Based display - display-uri cu memorarea imaginii in memoria
RAM au aparut in anii ‘70 odata cu dezvoltarea memoriilor semiconductoare de
mare capacitate si viteza. Acestea au propriul sistem de memorie RAM - memorie
cu acces direct adresabil fie in zona de adrese fizice ale unitatii centrale, fie prin
porturi. Din memorie, imaginea este citita si afisata prin intermediul circuitelor
electronice de comanda a tubului. La mijlocul anilor ‘70 apar sistemele Video-RAM
cu baleiaj raster (Raster Scan Display), monitoare care se folosesc si astazi. Ele
permit afisarea de suprafete pline, animatie si au facilitati de utilizare dinamica a
culorilor. Exista doua moduri de memorare a imaginii in memoria video:
- punct cu punct si atunci vorbim de imagini raster iar terminalele care
afiseaza astfel de imagini se numesc dispozitive sau terminale raster
- codificata sub forma unei secvente de primitive grafice de iesire si in acest
caz avem display vectorizat sau dispozitiv vectorizat. Un exemplu poate fi afisarea
unui segment de dreapta pentru care se vor memora capetele segmentului din
sistemul de coordonate al dispozitivului de iesire.
Afisarea imaginilor pe ecran cu performante cat mai bune este vitala in
timpul prelucrarii, in special a prelucrarii pentru tipografie. O imagine poate arata
foarte bine pe ecran, iar rezultatul tiparirii sa fie dezastruos. Cauzele pot fi multiple
si provin, in general, din calibrarea nereusita a sistemului scanner-monitor-
imprimanta-tipar, rezolutii de scanare, prelucrare si listare necorespunzatoare.
Rezolutia monitorului
Toate monitoarele utilizeaza un fascicol de electroni care baleiaza ecranul
acoperit cu puncte fosforerscente colorate (luminoforii). Intre tunul de electroni si
ecran se interpune o masca care permite accesul fascicolului de electroni doar intr-
un anumit punct selectat (pixel) de pe ecran. Exista doua tipuri de masti: masca cu
fante taiate (slot mask) utilizata la tuburile Sony Trinitron si masca cu gauri
(shadow mask).
Distanta dintre centrele a doua puncte sau fante de
aceeasi culoare este numita dot pitch si se masoara in
milimetri (vezi figura alaturata). Este o marime importanta dar
nu poate fi considerata definitorie pentru calitatea unui monitor,
datorita faptului ca ea difera ca valoare, la aceeasi calitate,
pentru cele doua tipuri de masti. De exemplu, un dot pitch de
.27 mm pentru un monitor cu shadow mask este echivalent cu
dot pitch
pixeli
Fig. 6
unul de .25 mm pentru un monitor cu slot mask.
Cunoscand latimea reala a monitorului si dot pitch-ul corespunzator tipului
de monitor se poate calcula rezolutia de ecran maxima la care poate lucra optim,
astfel:
latime monitorrezolutie ecran =
dot pitch
Exista corespondente optime intre dimensiunea monitorului si rezolutia de
ecran. Daca se foloseste o rezolutie prea mare pentru un ecran de dimensiuni mici
(ex. 1024 x 768 pentru 14”), imaginile vor apare ca fiind mai mici, ilizibile chiar.
Efectul este acelasi si in cazul rezolutie mica-ecran mare.
Calibrare: punct de alb
Modul in care percepem o imagine este destul de subiectiv si depinde de
mai multi factori printre care amintesc: acuitatea noastra vizuala sub aspect
cromatic, lumina ambientala, calibrarea monitorului. Culoarea de pe ecran o putem
defini si sub aspectul lumina-culoare. O lumina-culoare data de o sursa de lumina
are o anumita temperatura de culoare. La fel ca si in televiziune s-a ales ca marime
de referinta standard culoarea alba. Datorita faptului ca putem avea mai multe
surse de lumina alba, in urma cercetarilor, s-au standardizat mai multe tipuri de
surse de lumina alba, fiecarei surse corespunzandu-i o anumita temperatura
colorimetrica. CIE recomanda utilizarea albului de referinta de tip C, care are o
nuanta albastruie si corespunde unei temperaturi T=5700 K. Albul de referinta de
egala energie (sursa E) are o temperatura de 6500 K si este cel mai folosit atat in
calibrarea monitoarelor cat si pentru echipamente TV.
1.4.3.2 DISPOZITIVE DE IMPRIMARE
Imprimante cu cerneala lichida
Acest tip de imprimante folosesc cartusuri cu cerneala lichida si ca suport
orice tip de hartie daca nu exista pretentii prea mari de calitate a tiparirii. Cartusul
cu cerneala este atasat unui cap de scriere care are o multime de pori mai fini
decat firul de par. Procesul de transfer consta in fortarea cernelurilor sa treaca sau
nu prin acesti pori in timp ce capul se misca pe suprafata hartiei in functie de
comanda primita de la calculator. O parte din cerneala este absorbita de hartie, iar
o alta se evapora. Neputand fi controlata densitatea cernelii intr-un punct, tonurile
continue nu au acuratetea necesara. De numarul de pori si finetea lor depinde
rezolutia de tiparire.
Imprimante cu cerneala solida
Imprimantele cu cerneala solida reproduc imagini de o calitate buna si
utilizeaza hartie simpla, carton, folii transparente. Cernelurile sunt sub forma unor
batoane colorate. Ele sunt dizolvate intr-un rezervor pana ajung in stare lichida,
apoi difuzate prin pori foarte fini pe hartie unde se solidifica imediat. Hartia trece
apoi printre doua role pentru o topire la rece a imaginii (fixarea).
Imprimante cu transfer termic (thermal wax)
In loc de cerneala, imprimantele cu transfer termic folosesc o rola sau
banda de transfer care este segmentata in trei sau patru sectiuni de dimensiunea
unei pagini de tiparit. Fecare din aceste bucati este ceruita cu o ceara colorata cu
cele patru culori primare (CMYK). Suportul de imprimat poate fi hartie speciala sau
film transparent. Capul de imprimare contine mii de elemente incalzite la o
temperatura foarte precisa. Deplasarea hartiei peste rolele de transfer si prin fata
acestor elemente determina topirea cerii si aderarea pigmentului la hartia speciala
sau la film. In final, imaginea va fi compusa din puncte foarte fine de ceara colorata.
Imprimante cu sublimarea culorii
Elementul diferit fata de celelalte tipuri de imprimante consta in utilizarea
colorantilor solizi in loc de cerneala sau toner. Sublimarea este procesul prin care
colorantul solid in acest caz, trece din starea solida direct in starea de gaz, fara a
mai trece prin starea lichida. Colorantul solid se gaseste in rolele de transfer, care
contin panouri cu cele patru culori, de marimea unei pagini de listat . Hartia de
tiparire este speciala pentru acest tip de imprimante si a fost proiectata special
pentru a absorbi vaporii de culoare. In timpul tiparirii, cele patru culori sunt tratate
separat pentru a se pastra acuratetea imaginii. Colorantul este vaporizat cu
ajutorul capului de tiparire care are in structura sa mii de elemente care se
incalzesc la o temperatura ce poate fi controlata (maxim 256 de nivele de
temperatura). Cu cat este mai inalta temperatura, cu atat se va transfera mai mult
colorant pe hartie. Controlul precis a cantitatii de colorant ce se vaporizeaza
determina controlul precis al densitatii respectiv intensitatii culorii punctului de pe
hartie. Acest control riguros asigura producerea imaginilor in tonuri continue. Se
obtine cele mai bune printuri dar si cu costul cel mai ridicat.
Imprimante laser color
Calitatea imaginilor obtinute pe o imprimanta laser color rivalizeaza cu
calitatea imaginilor obtinute pe imprimantele dye subs. De asemenea, tonerul este
durabil si o imagine astfel obtinuta este mai putin afectata de expunerea la lumina
decat cele obtinute prin alte tehnologii. Hartia folosita poate fi atat hartie normala
pentru imprimanta laser cat si carton sau hartie speciala. Se foloseste cate un
cartus cu toner pentru fiecare din cele patru culori CMYK. Procesul de imprimare
este echivalent cu cel dintr-un copiator: fascicolul laser este focusat pe un cilindru
fotoelectric, determinand o incarcare electrica in zonele unde tonerul trebuie sa
adere. Tonerul de o anumita culoare se incarca pa cilindru de unde este apoi
transferat pe hartie. Operatia se repeta pentru fiecare din cele patru culori apoi
hartie incarcata cu toner este trecuta prin cuptorul de ardere pentru fixarea imaginii.
1.4.4 BAZE DE DATE SI SISTEME DE STOCARE
Fisierele de tip imagine sunt, de obicei, fisiere mari care necesitã resurse
sporite de memorie în timpul prelucrãrii. Datoritã faptului cã memoria RAM
(Random Acces Memory) este volatilã este necesarã memorarea imaginilor
prelucrate pe un suport extern de memorare. Existã patru tipuri de suporturi
respectiv dispozitive de memorare externã: magnetice, optice, magneto-optic si
solid state.
Memorarea pe suport magnetic se face prin inregistrarea de “0” sau “1”,
respectiv schimbarea polaritãtii particulelor magnetice de pe suprafata magnetica
(disc sau banda) în functie de fluxul magnetic creat de semnalul electric din capul
de scriere iar citirea se face prin curentul electric indus în capul de citire. Parametrii
interfetei cap-suport adicã lungimea intrefierului, distanta de separare, grosimea
suportului, geometria capului, materialul din care este realizat miezul, determinã
calitatea înregistrãrii. Viteza de transfer a informatiei de pe suport extern în
memoria internã este data de timpul de acces, de tipul interfetei (IDE, SCSI, EIDE,
Fast/Wide/Ultra SCSI, etc) si nu în ultimul rând de viteza de rotatie a suportului.
Cele mai cunoscute tipuri de suport magnetic sunt: hard discurile (capacitate între
20 Mo (6 Mo la primele HDD Winchester) si 20 Go), floppy discurile (1,44 Mo la
3,5”), discurile Iomega ZIP (100 Mo), SuperDisk (120 Mo), Sony HIFD (200 Mo).
Memorarea pe suport optic utilizeazã laserul pentru a crea zone întunecate
denumite pits si zone luminioase - lands - corespunzãtoare pentru “0” si “1” binar.
Citirea se face cu ajutorul unui fotodetector care mãsoarã intensitatea razei
reflectate de cãtre o zonã luminoasã respectiv întunecate. Acest sistem este folosit
în cazul CD-ROM-urilor, CD-RW (capacitate maxima 660 Mo) si a discurilor DVD
(Digital Versatile Disk) (capacitate 4,7 Go/single layer, single sided - 17 Go/ double
layer, double sided). In tabelul urmãtor sunt prezentate comparativ câteva
caracteristici ale CD-ROM-urilor si DVD-urilor.
Memorarea pe suport magneto-optic (MO disk drive) utilizeazã laserul
pentru “încãlzirea” suprafetei discului, respectiv a unui anumit punct la un moment
dat, si capete de scriere/citire magnetice pentru înregistrarea/citirea lui. Dupã ce s-
a “rãcit”, discul poate fi doar citit, el nemaiputând fi modificat de cãtre nici un fel de
sursã magneticã fãrã o “încãlzire” prealabilã. Este cel mai stabil mod de
înregistrare a informatiilor si este disponibil sub douã forme: reinscriptionabil
(rewritable) si WORM (Write One Read Many).
Memorarea Solid state foloseste card-uri de memorie care odatã
înregistrate rãmn asa chiar dacã se întrerupe alimentarea. Sunt cunoscute si sub
numele de flash memory sau digital film si sunt mult mai rapide decât sistemele
care au încorporate în ele si dispozitive mecanice (de antrenare capete, disc,
banda, etc). Capacitatea unui card poate fi de 4, 8 sau 16 Mo si sunt folosite, în
general, în aparatele foto digitale. Descãrcarea lor de imagini se face fie printr-un
adaptor card-dischetã, fie printr-un cititor de card, fie prin conectarea aparatului
foto digital pe unul din porturile calculatorului (serial, paralel, USB, infrarosu). Cele
mai cunoscute tipuri de carduri flash memory sunt: PC card, CompactFlash,
Miniature Card, SmartMedia, Multimedia Cards, Memory Sticks.
Bazele de date cu imagini implica utilizarea unor programe specifice de
clasificare, sortare si accesare rapida a imaginilor. Din cele mai cunoscute sunt
ACD See, PhotoSuite.
1.4.5 INTERFETE DE COMUNICARE IMAGINI
Transmiterea imaginilor intr-o retea de calculatoare locala sau pe internet
presupune codificarea respectiv criptarea imaginilor in vederea micsorarii
dimensiunilor fisierelor cat si pentru pastrarea secretului informatiei. Codarea
imaginilor in vederea micsorarii dimensiunilor fisierelor foloseste algoritmi RLE
(Run Lenght Encoding) pentru fisiere JPEG sau Lempel-Ziv-Welch pentru fisiere
TIFF.
2. ALGORITMI DE TRATARE A IMAGINILOR
2.1 ARTA SI CALCULATOR
Primele prelucrãri computerizate ale imaginii au fost realizate de cãtre Noll
în laboratoarele Bell si dateazã de la începutul anilor ‘60. Folosind limbajul Algol,
Noll a ‘învãtat’ un calculator sã creeze o operã în stilul lui Modrian, furnizându-i
informatii cu privire la natura elementelor folosite de Modrian (pãtrate si
dreptunghiuri de diverse dimensiuni), precum si regulile stilului Modrian (densitatea
lor în diverse zone ale tabloului, încadrarea lor într-o figurã globalã cum ar fi de
exemplu un cerc). Rezultatul, prezentat si în figura 7b, a fost un remake care a fost
preferat originalului de majoritatea subiectilor cãrora le-au fost prezentate cele
douã lucrãri. [9]
Alte cercetãri din perioada de început a prelucrãrii computerizate a imaginii
vizau realizarea supersemnelor - simboluri care asamblate dupã un anumit
algoritm generau un tablou op-art, o ilustrare a unei astfel de încercãri fiind
prezentatã în figura 8 . [9]. Cercetãri în acest sens s-au efectuat în Germania (K.
O. Götz), în Spania (Barbadillo, Centrul de Calcul al Universitãtii Madrid), în
universitãti din SUA, Japonia, Anglia. În jurul acestor universitãti s-au dezvoltat
ulterior centre de cercetare în domeniul CAD si sunt recunoscute azi ca fiind de
Fig. 7a. Lucrare realizatã de Modrian Fig. 7b. Lucrare stil Modrian, realizatã de calculator
prim rang în domeniu cele din Anglia (Exeter, Londra), Spania (Barcelona, Madrid),
SUA
(Rochester,
Buffalo, New York).
2.2 SOFTWARE DE PRELUCRARE A IMAGINII
Anii ‘80, odatã cu dezvoltarea resurselor hard prin aparitia microprocesorului
si utilizarea lui pe scarã largã au impus specializarea unor firme de software în
prelucrarea de imagine. Au apãrut astfel companiile Autodesk, Adobe, Macromedia
care au dezvoltat softuri pentru anumite segmente ale pietei de produse
multimedia.
Astfel, avem:
1. din punct de vedere al tipului de imagine prelucratã:
- softuri de prelucrarea a imaginilor vectoriale
- 2D (AutoCAD, ArhiCAD) sau
- 3D (3D Studio Max, True Space, Pro Engineer, Solid Works)
- softuri de prelucrare a imaginilor raster (bitmap) 2D (Photoshop, Illustrater,
Paint Shop Pro, Freehand)
2. din punct de vedere al modului de tratare a spatiului culoare conform CIE [5],
[10], avem:
- softuri ce lucreazã cu sisteme liniare de culoare (cum ar fi CIE-Lab) si care
abordeazã imagini 2D
- softuri ce lucreazã cu sisteme neliniare de culoare (cum ar fi culoarea-
luminã) si care abordeazã imagini 3D; problematica vizeazã culoarea pe volum
Fig. 8a. Lucrare op-art realizatã cu ajutorul calculatorului
Fig. 8b. Elementul de bazã
al lucrãrii op-artrealizatã cu ajutorul
calculatorului
Fig. 8c. Inversul elementul debazã al lucrãrii op-art
realizatã cu ajutorulcalculatorului
- softuri care trateazã managementul sistemelor de culoare CSM,
reproducerea sau recunoasterea lor automatã, independenta de device, etc.
3. softuri pentru codarea-decodarea formatelor de imagine, moduri de compresie a
imaginilor.
2.3 ALGORITMI DE TRATARE A IMAGINILOR 2D
Afisarea unei imagini in coordonate de dispozitiv presupune efectuarea unor
anumiti pasi pentru extragerea imaginii din memoria calculatorului si transmiterea
ei spre ecran fie pixel cu pixel pentru imagini raster fie prin coordonate pentru
imaginile vectoriale. In vederea afisarii imaginea trebuie “decupata” adica
transformarea in coordonate fizice de dipozitiv. Algoritmii de decupare si afisare
trateaza in mod diferentiat imaginile raster fata de cele vectoriale. Astfel:
- algoritmii raster opereaza in memoria video, decuparea facandu-se pentru
fiecare pixel in parte ceea ce determina un numar mare de accese la memoria
video.
- algoritmii vectorizati opereaza cu coordonatele capetelor liniei sau
varfurilor poligonului deci cu structura de date a modelului grafic. In urma decuparii
pot rezulta unul sau mai multe poligoane definite prin lista de varfuri.
2.3.1 ALGORITMI PENTRU AFISAREA IMAGINILOR RASTER
Afisarea punct cu punct a unei imagini se face baleiind pentru fiecare linie a
ecranului (pentru fiecare y cuprins intre ymin si ymax) toate punctele de pe x intre
un xmin si un xmax.
Definirea unei linii se poate face prin stabilirea coordonatelor capetelor ei.
Calculul punctului urmator care va fi afisat relativ la punctul curent P(xi, yi) si
cunoscandu-se coordonatele ferestrei si a capetelor liniei se poate face prin
urmatoarele metode:
- metoda punctului de mijloc consta in stabilirea unei variabile de decizie
d = 2*dy-dx.
Daca d<0, punctul urmator va fi punctul de coordonate (xi+1, yi)
d va fi incrementat cu 2*dy,
d>0, punctul urmator fiind (xi+1, yi+1)
d va fi incrementat cu 2*(dy-dx).
- metoda Bresenham consta in calculul intersectiei dreptei de trasat
cu dreapta Xi+1 si determinarea distantelor s si t de la punctul de
intersectie la posibilele puncte urmatoare S si T.
Daca
s < t punctul care va fi trasat va fi S,
s > t punctul trasat va fi T.
(vezi figura alaturata)
Algoritmul Bresenham a fost
generalizat si se aplica si pentru
trasarea cercurilor sau a altor curbe
plane.
2.3.2 ALGORITMI PENTRU AFISAREA IMAGINILOR VECTORIALE
Imaginile vectoriale sunt definite prin ecuatiile lor, iar fereastra de afisaj prin
coordonatele ei minime (Xmin, Ymin) si maxime (Xmax, Ymax). Afisarea se reduce
in acest caz la decuparea imaginii la dimensiunile ferestrei si afisarea ei folosind
functii grafice de genul Line(x1, y1, x2, y2), Poly(varf), unde varf este o lista de
perechi de coordonate de forma x, y -intregi.
Cei mai cunoscuti algoritmi de decupare sunt:
- algoritmi de decupare linii: algoritmul Cohen-Sutherland, algoritmul Cyrus-
Beck, algoritmul Liang-Barscky
- algoritmi de decupare poligoane: algoritmul Sutherland-Hodgman,
algoritmul Weiler-Atherton
s
t
Xi Xi+1 X
S
TYi
Y
Yi+1
Fig. 9.Trasarea unei drepte cu algoritmul Bresenham
Algoritmul Cohen-Sutherland de decupare linii
Considerand limitele zonei de lucru ca fiind Xmin, Ymin si Xmax, Ymax
conditia ca un punct P(x,y) de pe ecran sa fie vizibil este
Xmin < x < Xmax
si Ymin < y < Ymax
Daca insa dorim afisarea unui segment de dreapta aceste teste de
vizibilitate trebuie facute asupra fiecarui punct de pe segmentul respectiv ceea ce
consuma foarte mult timp. Metoda poate fi imbunatatita prin impartirea ecranului in
zona de lucru si zone adiacente care sunt codificate conform figurii 10 si testarea
capetelor segmentului si stabilirea vizibilitatii acestora:
- daca ambele capete sunt vizibile, atunci si segmentul este vizibil si in acest
caz avem o acceptare simpla.
- daca ambele capete sunt de aceeasi parte a zonei de lucru atunci
segmentul nu va fi vizibil si avem o respingere simpla.
- daca nici una din aceste conditii nu este indeplinita inseamna ca segmentul
de dreapta intersecteaza zona de lucru si
in acest caz trebuie determinate
intersectiile cu dreptele
y=Ymin, x=Xmin
y=Ymax, x=Xmax
si trebuie indepartate segmentele de
dreapta ce nu se gasesc in zona de lucru.
Algoritmi de decupare poligoane considera poligonul definit initial printr-o
lista de varfuri. Varfurile sunt perechi de coordonate x,y intregi. Se defineste un
sens conventional de parcurgere a laturilor. Poligonul se decupeaza in patru pasi,
la fiecare pas efectuindu-se o decupare dupa una din marginile ferestrei. Exista trei
cazuri de relatie intre doua varfuri consecutive ale poligonului si marginile ferestrei,
si anume:
- ambele varfuri sunt in interiorul ferestrei, deci si latura este in interior,
varfurile se adauga in acest caz in lista varfurilor de iesire
- ambele varfuri sunt in exteriorul ferestrei, deci nu se adauga nimic in lista
de iesire
1001 1000 1010
0010
01100100
0001 0000
0101
Zona de lucru
Fig. 10. Impartirea ecranului pentrualgoritmul Cohen-Sutherland
- 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
18. http://www.srgb.com (Michael Stokes)19. http://www.canon.com (Todd Newman)20. http://www.aple.com (Gabriel Marcu)21. http://www.cie.com22. http://www.color3d.com23. http://www.w3.com24. http://www.mit.edu25. http://www.pima.org26. http://www.adobe.com