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