Системы машинной графики

Машинная графика стала обязательной частью любой интеллектуальной системы, реализованной на ЭВМ. Это связано, прежде всего с тем, что скорость переработки человеком информации, представленной в графической форме, выше по сравнению со скоростью переработки алфавитно-цифрового набора данных. Особенно заметен этот эффект на этапе восприятия информации, так как при этом максимально активизируется ассоциативное мышление человека. Наиболее ярко преимущества графического представления данных проявляются в интерактивных системах машинной графики, подразумевающих активную связь с пользователем. Такие СМГ сейчас используются в САПР, АСНИ, экспертных системах и т. д.

Состав типичной СМГ представлен на рисунке 5. Схематически работу системы можно представить следующим образом. На основании базы знаний и банка данных ЭВМ генерирует модель «мира». Затем эта модель преобразуется программой синтеза изображения в удобную для восприятия человеком форму. Сформированная таким образом информация выдается на устройство отображения графической информации, вызывая на нем появление соответствующего изображения, которое может быть задокументировано с помощью устройства получения твердых копий. На этапе окончательного формирования изображения в него могут включаться готовые фрагменты из банка видеоданных. Пользователь через устройство ввода информации может формировать и дополнять базу знаний и банк данных, корректировать модель «мира» и программу синтеза изображения, а также производить непосредственные операции над изображением (вырезание и перемещение фрагментов, их склейку, масштабирование, раскраску и т. д.), воздействуя через сервисные программы непосредственно на буфер устройства отображения.

Модель «мира» является центральным звеном практически всех современных СМГ. Эта модель порождает «мир», состоящий, например, из схем, элементарных частиц или реально наблюдаемых объектов. Все объекты «мира» описываются своими наборами характеризующих их параметров. По размерности моделируемого «мира» модели принято делить на двухи трехмерные. Трехмерные модели, в свою очередь, подразделяются на каркасные («проволочные»), поверхностные и модели сплошных тел.

В каркасных моделях хранятся (генерируются) лишь координаты вершин объекта и соединяющие их ребра.

Рисунок 5. Структура системы машинной графики

При таком подходе часто возникает неоднозначность, так как возможны различные интерпретации одной и той же модели. В моделях поверхностного типа хранятся только описания поверхностей, ограничивающих данный объект. Эти поверхности могут быть плоскими, цилиндрическими или задаваться полиноминальными функциями. В моделях сплошных тел объекты формируются непосредственно путем комбинирования с помощью трехмерных теоретико-множественных операций (таких, как объединение, пересечение, разность) — так называемых примитивов. В качестве примитивов обычно используются простейшие трехмерные геометрические тела — параллелепипеды, пирамиды, цилиндры, сферы.

По способу описания объектов модели «мира» можно разделить на модели, задающие объект в виде набора данных и в виде операции его построения. Сама операция построения может быть представлена в процедурной форме или задаваться структурой данных. Способ описания, использующий полностью детерминированное задание всех исходных данных, характеризующих объект, основывается на концепции имитации процесса фотографирования реальной сцены. Это приводит к необходимости однозначного задания всех объектов модели «мира» в момент ее «фотографирования» воображаемым фотоаппаратом. Сейчас чаще используется задание объектов «мира» в виде операции их построения. В данном случае объект синтезируется непосредственно в процессе построения. Это значительно облегчает задачу разработчика модели, так как вместо детального описания объекта он задает лишь закон его построения (например, в виде закона распределения вероятности реализации конкретных фрагментов объекта). Кроме геометрического описания объектов в модели «мира» хранятся и другие параметры, необходимые для синтеза изображения (например, цвета поверхностей объектов).

При создании модели «мира» используются база знаний и банк данных. База знаний вводит фактически законы и ограничения, действующие при создании объектов «мира». Банк данных позволяет «записывать» модель «мира» стандартными данными, необходимыми для ее работы. Банк данных и база знаний могут постоянно изменяться и дополняться пользователем в процессе эксплуатации системы.

Сформированную таким образом модель «мира» специальная программа преобразует в массив чисел, соответствующий изображению. Наиболее сложной задачей такого рода является синтез реалистичного изображения трехмерной сцены. Большой прогресс в этой области был достигнут к началу 80-х годов. К настоящему времени в процессе синтеза цветного трехмерного реалистичного изображения можно выделить следующие этапы:

• — удаление скрытых поверхностей, т. е. поверхностей или их частей, которые не видны из точки нахождения воображаемого наблюдателя. Этот этап может быть выполнен, например, с помощью «алгоритма Z-буфера» или «алгоритма художника»;
• — закраска видимых поверхностей с учетом свойств самой поверхности (цвет, фактура, отражательная способность), ее относительного местоположения, ориентации, а также свойств источников света и других поверхностей;
• — выравнивание интенсивностей соседних поверхностей с помощью алгоритмов закраски Гуро или Фонга.

В последнее время благодаря быстрому удешевлению аппаратной части СМГ возрос интерес к синтезу динамических изображений в реальном масштабе времени, т. е. к так называемой компьютерной мультипликации. Динамическая графика находит применение в компьютерных играх, тренажерных системах, АСНИ. При синтезе динамических объектов, движущихся по законам модели «мира», программа синтеза изображения кроме перечисленных выше операций выполняет также ряд геометрических преобразований, соответствующих моделируемому движению.

Банк видеоданных служит для воспроизведения готовых изображений и их фрагментов. Он может постоянно пополняться новыми данными, полученными как извне, так и в процессе функционирования самой системы.

К устройствам отображения графической информации относятся векторные дисплеи, растровые дисплеи, дисплеи на запоминающих ЭЛТ, плазменные панели. Наиболее популярны в настоящее время растровые дисплеи. В них изображение строится из набора дискретных элементов — пикселов.

К устройствам получения твердых копий изображения относятся плоттеры, цифровые принтеры и многофункциональные устройства.

В качестве устройства ввода информации в ЭВМ наиболее часто используются: алфавитно-цифровая и функциональная клавиатуры, оптические сканеры, световое перо, манипулятор типа «мышь», технологические датчики и т. п. Все эти устройства при вводе информации различного типа имеют свои преимущества и недостатки. Обычно пользователь имеет возможность выбора того устройства ввода, которое наиболее удобно для него в данный момент.

В качестве базовых для синтеза изображения могут использоваться универсальные ЭВМ практически всех классов — от персональных компьютеров до суперЭВМ.

Имеется тенденция к переходу к трехмерным дисплеям, основанным, например, на принципе голографического изображения. Отображаемая на экране информация будет лучше, чем в настоящее время, сопровождаться звуковыми эффектами. Процедура создания модели «мира» должна еще более упроститься, сведясь к заданию в удобной для человека форме наиболее общих законов и параметров, характерных для моделируемого «мира». Ведущую роль при этом должны сыграть идеи и методы искусственного интеллекта. В итоге экран дисплея должен стать фактически окном в созданный компьютером «мир», функционирующий по любым наперед заданным законам и активно отвечающий на любое воздействие человека.

Поскольку количество разработанных в настоящее время АСОИз очень велико, в таблице представлены некоторые системы.

Характеристики автоматизированных систем обработки изображений