A számítógépes graka célja

A számítógépes graka, animáció, képfeldolgozás fejl®dése az elmúlt 30 40 évben rendkívül felgyorsult. A generatív számítógépes graka és animáció mára a számítástechnika egyik külön tudományágává fejl®dött. A felhasználási területek is igen elszaporodtak.

Mindez a következ® tényez®knek köszönhet® [12]:

A grakus felületek (GUI) használata világszabvánnyá vált. A progra-mozók és az egyes szoftvergyártó cégek egyaránt arra törekednek, hogy programjaik minél szebbek, látványosabbak legyenek.

A technológia lehet®vé teszi a fotorealisztikus, valóságh¶ 3D megjelení-tést, és ennek az interaktív szerkesztését.

A hardver, f®leg a videokártyák rohamosan fejl®dtek.

A fotorealisztikus képábrázolást lehet®vé tev® algoritmusok (pl. sugár-követés) hatékonysága rohamosan javul.

Az animáció, speciális effektusok használata a lmiparban kin®tte A multimédia és a generatív számítógépes graka között a határ elmo-gát.

sódott.

A grakus programcsomagok el®állítói (pl. Corel, Autodesk, Adobe stb.) hatalmas, és kiélez®dött a piaci verseny.

A nyomdatechnika hatalmasat fejl®dött.

A fontosabb tervez®programok (CAD) már képesek az osztott csapat-munkára.

Az orvostudományban egyre nagyobb az igény a 3D képfeldolgozásra.

Az élet majdnem minden területét betöltik a grakus szimulációk, szi-mulátorok.

A televízióadások, szórakoztató média egyre intenzívebben használja a speciális grakai effektusokat.

A gyors fejl®dés f® okát a képi információk kifejez®erejében kell keresni. A diagramok, az ábrák, a képek sokkal átláthatóbbak, hatékonyabban hordozzák az információt, mint a szöveges leírás.

Ezt már az ókorban is tudták, s®t maga a graka szó is az ógörög γράφω (grápho),γραπικόζ(graphikós) szóból származik, amely a vésni, véset szavakat jelenti, az ókorban leginkább így állították el® az ábrákat.

A graka ma a rajzm¶vészet összefoglaló fogalmát jelenti. A graka a képz®-m¶vészet azon ága, amelyhez a sokszorosítási eljárással készült, de eredetinek tekinthet® alkotások tartoznak, illetve azok az egyszeri alkotásokról (pl. fest-mény) sokszorosító eljárással készült reprodukciók, amelyek nem tekinthet®k egyedi alkotásnak. Gyakran idesorolnak olyan képz®m¶vészeti eljárásokat is, amelyek nem nyomatok, de szintén papír alapot használnak, mint például a ceruza-, toll- és krétarajzok, akvarellek, esetleg pasztellképek; vagy nyomtatási eljárással készülnek ugyan, de csak egy példányban, mint a monotípia. A felület kitöltése többnyire vonalak segítségével történik, szemben a festészettel, ahol inkább foltokkal.

A számítógépek kezdetben nem voltak képesek grakus ábrázolásra, szö-veggel fejeztek ki mindent. Kés®bb jöttek létre az els® vonalas ábrázolások, majd a formák, végül a háromdimenziós ábrázolás.

Mára már a számítógépes grakának is relatív önálló ágai különültek el, ilyenek:

Generatív számítógépes graka (interactive computer graphics): a képi információ tartalmára vonatkozó adatok és algoritmusok alapján mo-delleket állít fel, képeket jelenít meg (renderel). Idetartozik a speciális effektusok el®állítása vagy az animáció is, amely a generált grakát az id®t®l teszi függ®vé. Általában két- (2D) vagy háromdimenziós (3D) grakus objektumok számítógépes generálását, tárolását, felhasználását és megjelenítését fedi a fogalom. A cél a fotorealisztikus, valós ábrá-zolásmód, vagyis az, hogy a számítógépes grakával generált képeket gyakorlatilag nem lehet megkülönböztetni a fényképt®l vagy videofel-vételekt®l. Rendszerprogramozói, programozói és kevésbé felhasználói szint¶ m¶veletek összessége.

Számítógéppel segített graka (computer aided graphics CAG): a szá-mítógép bevonása ábrázolásmódok, számítások, folyamatok megkönnyí-tésére, pl. függvényábrázolás, nyomdai grakai munkálatok, sokszoro-sítás, diagramkészítés, illusztrátorok stb. Felhasználói és programozói szint¶ m¶veletek összessége.

Képfeldolgozás (image processing): mindazon számítógépes eljárások és módszerek összessége, amelyekkel a számítógépen tárolt képek mi-n®ségét valamilyen szempont szerint javítani lehet. Itt nem generált képekkel dolgozunk, hanem inputként megkapott képekkel, pl. digitá-lis fényképez®gép, szkenner vagy más digitalizáló eszközzel el®állított raszteres képekkel. Felhasználói és kevésbé programozói szint¶ m¶ve-letek összessége.

Képelemzés, alakfelismerés (picture analysis, form recognition): a rasz-teres képeken lév® grakus objektumok azonosítását végzi el. Felhasz-nálói és programozói szint¶ m¶veletek összessége.

Számítógéppel segített tervezés és gyártás (computer aided design and manufacturing CAD/CAM): olyan számítógépen alapuló eszközök

összessége, amely a mérnököket és más tervezési szakembereket tervezé-si tevékenységükben segíti. A jelenleg használatos CAD programok a 2D (síkbeli) vektorgraka alkalmazásán rajzoló rendszerekt®l a 3D (térbeli) parametrikus felület- és szilárdtest-modellez® rendszerekig a megoldá-sok széles skáláját kínálják. Felhasználói és kevésbé programozói szint¶

m¶veletek összessége.

Térképészeti információs rendszerek (geographical information system GIS): a térképek számítógépes feldolgozását lehet®vé tev® rendszerek.

Felhasználói és kevésbé programozói szint¶ m¶veletek összessége.

Grakus bemutatók (bussines graphics): az üzleti életben, tudomány-ban, közigazgatásban stb. bemutatott grakus alapú prezentációk elké-szítése a vizuális információ átadásának céljából. Multimédiás oktató-programok, reklámok, honlapok készítése. Felhasználói szint¶ m¶vele-tek összessége.

Folyamatok felügyelésére szakosodott grakus rendszerek: különbö-z® szenzorok által szolgáltatott mérési adatok grakus feldolgozása és ezek alapján bizonyos folyamatok vezérlése, felügyelése. Idetartoznak az ipari folyamatok vezérlései, de például egy ház f¶t®rendszerének a felügyelete is. Rendszerprogramozói, programozói és felhasználói szint¶

m¶veletek összessége.

Számítógépes szimulációk: repül®gép és ¶rhajó-szimulátorok, id®járás-el®rejelzés készítése számítógépes szimulációval, egyszer¶ folyamatok szimulálása, valóságh¶ jelenetek valósidej¶ megjelenítése. Rendszer-programozói, programozói és felhasználói szint¶ m¶veletek összessége.

Számítógépes játékok: olyan játékok, amelyekkel a játékos egy fel-használói felületen keresztül lép kölcsönhatásba, és arról egy kijelz®

eszközön keresztül kap visszajelzéseket. A visszajelzések történhetnek látványban, hangban és zikailag is, különböz®, folyamatosan fejl®d®

technikai eszközök segítségével. Két f®csoportja ismeretes: a szemé-lyi számítógépekre írt játékok és a videojáték-konzolokra írt játékok.

Rendszerprogramozói, programozói és felhasználói szint¶ m¶veletek összessége.

Felhasználói grakus felületek (graphical user interface GUI): operáci-ós rendszerek, számítógépes alkalmazások grakus felületeinek megter-vezése, és így a felhasználóval egy magasabb szint¶ interakció meg-valósítása. Rendszerprogramozói, programozói és felhasználói szint¶

m¶veletek összessége.

Szöveg- és kiadványszerkesztés (desk top publishing DTP): számí-tógéppel segített nyomdai kiadványszerkesztés, speciális képek, bet¶-típusok, emblémák, logók, reklámgurák elkészítése. Felhasználói és kevésbé programozói szint¶ m¶veletek összessége.

Virtuális valóság (virtual reality VR): olyan technológiák összessége, mely különleges eszközök révén a felhasználó szoros interakcióba kerül

a grakus világgal, mintegy részévé válik. Rendszerprogramozói, prog-ramozói és felhasználói szint¶ m¶veletek összessége.

Nyilvánvaló, hogy a felsoroltak nagy többsége beleillik a generatív számí-tógépes graka tágabban vett fogalmába, s®t mindegyiknek a magvát, az alapját a képgenerálás (képszintézis) képezi, mindazonáltal önálló szakterületté n®tték ki magukat, saját módszertannal, eszközökkel rendelkeznek.

Ha a fentieket egy diagramba kívánnánk összefoglalni, az 1.1. ábrán látható viszonyrendszert kapnánk ([12] alapján).

1.1. ábra. A számítógépes graka szakágazatai

*

Jelen könyvben a generatív számítógépes grakát tárgyaljuk (ezt általában egyszer¶en csak számítógépes grakának nevezzük), és ennek is a programo-zói szint¶ bemutatására törekszünk, algoritmusokat, lehet®ségeket, eszközöket ismertetünk.

*

Amint az 1.1. ábrán is meggyelhetjük, a generatív számítógépes graka grakus motra kétfajta feldolgozásra (eredmény-el®állításra) képes: raszteresre és vektorgrakusra.

A vektorgrakus ábrázolásmód esetében a grakai modell egyes elemei (objektumai) matematikailag egyértelm¶en leírható alakzatok, vonalak, görbék stb. A kis helyigényen kívül el®nyük, hogy felépítésüknél fogva tetsz®legesen átméretezhet®k anélkül, hogy min®ségük romlana, így a vektorgrakus képek nyomtatásánál csak a nyomtató felbontása szab határt. Az objektumokat önál-lóan tároljuk, ezek egyedileg is visszakereshet®k, módosíthatók stb., a köztük lév® strukturális kapcsolatok a számítógép által feldolgozhatók. A vektorgra-kus rendszerekben az objektumokat lebeg®pontos világ-koordinátarendszerben ábrázoljuk. Egy pontot a hozzá vezet® helyzetvektorral lehet azonosítani. Az objektumokat drótvázas (wireframe), árnyalt (solid) vagy fotorealisztikus (pho-torealistic) módon jeleníthetjük meg.

Drótvázas módban a testeket csak az éleikkel ábrázoljuk. Az ábrán nincse-nek takart vonalak, minden él teljes egészében megjelenik. Ez a legegyszer¶bb és leggyorsabb megjelenítési mód, viszont a legkevésbé valóságh¶.

Árnyalt megjelenítés esetében a testek felületét is ábrázoljuk, a határoló felületek kitöltött képét rajzoljuk ki. Az árnyalással ábrázolhatjuk a testek anya-gainak jellemz®it, a fényhatásokat, a takarásokat. A képen az eltakart részek nem fognak megjelenni. A vektorgrakus objektumok árnyalt megjelenítését renderelésnek (rendering) nevezzük.

Fotorealisztikus megjelenítésen azt értjük, hogy a vektorgrakus modelltér-beli jelenetr®l olyan min®ség¶ képet állítunk el®, amely teljesen valószer¶, a valós világról készített fényképt®l nem lehet megkülönböztetni.

1.2. ábra. POV-Ray-jel renderelt fotorealisztikus kép (forrás: [37])

Fotorealisztikus képek el®állításának követelményei ([12] alapján):

Térhatás (depth cueing): A 3D-s modelltér jelenete a 2D-s raszteres képen is térhatású legyen. Érvényesüljön a perspektivikus ábrázolási mód. Reálisan ábrázoljuk a tárgyak látható és nem látható éleit, felüle-teit. Érvényesüljön a mélység-élesség. A messzeségbe t¶n® objektumok legyenek elmosódottabbak, kevésbé kidolgozottak. Használjuk a mip-maping technikát.

Felületek megvilágítása, tükröz®dés, árnyékok: modellezzük és használ-juk fel a természetben is lezajló jelenségeket. A képeken a fényhatások feleljenek meg a természet és a zika törvényeinek. A természeth¶ség érdekében használjunk természetes (természetutánzó) textúrákat. Érdes, göröngyös térhatású felületeket tudunk elkészíteni a bump-maping tech-nikával, amikor a felületre mer®legesen véletlenszer¶en módosítjuk a tárgy felszínét: kiemelünk, lesüllyesztünk. A testek egymásra vetett ár-nyékait meg kell jeleníteni.

Átlátszóság, áttetsz®ség, köd, füst modellezése: gyelembe kell venni a fénytörést, a fény intenzitásának csökkenését. Használjuk az alpha-blending technikát.

1.3. ábra. Testek drótvázas és árnyalt ábrázolása

A raszteres ábrázolásmód esetében a kép pixelekb®l (picture element a legkisebb ábrázolható egység), vagyis képpontokból áll. A képi információ csak képként kereshet® vissza. Csak az egyes képpontok színét tároljuk, így tetsz®leges árnyalatot adhatunk vissza. Ennek el®nye a nagyjából korlátlan színhasználat, amelynek segítségével a fényképek tökéletesen megjeleníthet®k.

Hátrányuk viszont a nagy helyigény és a méretváltoztatáskor fellép® min®ség-romlás.

A képen található objektumok számítógéppel csak speciális alakfelismer®

algoritmusok segítségével azonosíthatók be.

Generatív számítógépes grakában a képszintézis utolsó fázisában a 3D modellr®l 2D-s raszteres grakát állítunk el®, ez jeleníthet® meg a képerny®n vagy nyomtatásban.

1.4. ábra. Digitális fénykép raszteres graka