Машинная графика и обработка изображения с помощью ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ

В конце 40-50-х годов считалось, что 3-5 крупных (по тем временам) ЭВМ могут удовлетворить все запросы на вычисления в любой промышленно развитой стране. Однако жизнь очень скоро опровергала это утверждение. Количественный и качественный рост парка ЭВМ позволил обратиться к тем задачам, о решении которых раньше и не помышляли. В каждой новой сфере применения ЭВМ, обычно довольно скоро начинают сказываться ограничения в их характерных свойствах: в скорости вычислений и объеме памяти. Таким образом, стимулируется следующий виток в развитии ЭВМ. В условиях стремительного развития вычислительных машин и быстрого расширения сферы их применения в начале 60-х годов родилась новая область исследований - интерактивная машинная графика, предметом которой стали представление и преобразование графической информации.

Говоря о машинной графике, следует отметить два важных момента:

1) быстро растущие скорости переработки информации, следовательно, и получаемых результатов (например, при решении газодинамических задач ответ состоит из 107 чисел, однако, используя методы машинной графики, всю информацию можно уложить в 5 минут фильма);

2) современные ЭВМ позволяют решать задачи, в которых отработка графической информации занимает значительное место (например, можно моделировать поведение автомобиля в аварийной ситуации).

Результат решения таких задач не возможно воспринять без графического вывода, поэтому’ системы автоматизации научных исследований и системы автоматизированного проектирования немыслимы без использования средств машинной графики.

МАШИННАЯ ГРАФИКА И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ

Машинная графика и обработка изображения с помощью ЭВМ приобрели популярность благодаря техническим достижениям последних двух десятилетий. Обработка информации, полученной в виде изображений на ЭВМ, имеет несколько разновидностей и массу практических приложений. Эту область обработки информации обычно принято делить на три направления:

1) машинная графика;

2) обработка изображений;

3) распознавание изображений.

Задача машинной графики - воспроизведение изображений в тех случаях, когда исходной является информация неизобразительной природы. Сложность программ, так же как и вычислительные затраты необходимые для получения соответствующих визуальных отображений, существенно зависит от характера конкретной задачи.

Примеры визуализации (в порядке возрастания сложности):

- построение графиков функций или экспериментальных данных;

- вывод информации на экран, получающий все большее распространение в машинных играх;

- синтез ситуационных сцен, предназначенных для использования в тренажерах.

Графики являются статическими относительно времени. Визуальные изображения в машинных играх изменяются во времени, а сцены, используемые в тренажерах, не только изменяются во времени, но должны также создавать иллюзию глубины.

Интерактивная машинная графика относится к устройствам и системам, в которые пользователь вводит исходные данные, сформированные в терминах порождаемого визуального изображения.

Обработка изображений связана с решением таких задач, в которых и входные и выходные данные являются изображениями.

Основными задачами передачи и выделения качественного изображения являются:

- устранение шума;

- сжатие данных.

Примеры:

- снимки, полученные с передержкой или недодержкой, как и размытые снимки, могут быть улучшены с помощью методов повышения контраста;

- изображение, характеризующееся большим диапазоном яркости, можно свести к изображению, на котором были бы видны только два уровня яркости;

- силуэты, полученные в результате подобного преобразования, можно превратить в фигуры построенные с помощью линий;

- в других случаях может возникнуть задача построения нового изображения по набору других изображений (например, при синтезе).

Задачей распознавания изображений является применение методов позволяющих либо получить некоторые описания изображения поданного на вход системы, либо отнести это изображение к некоторому определенному классу, т.е. распознавание образов. Реализуется задача как бы обратная машинной графике.

Типичным примером служит авто магическая сортировка писем, в процессе которой устройство изучает почтовый индекс и идентифицирует цифры его образующие.

Таким образом, термином машинная графика обозначают генерацию (создание), представление, обработку или оценку графических объектов вычислительных машин, манипулирование, установление связи между графическими объектами и неграфической информацией.

Машинная графика в наше время используется в различных отраслях промышленности, в экономике, в учебном процессе. Ниже приводится перечень основных (типичных) областей использования:

1) вычерчивание двухмерных и трехмерных графиков в математике и физике, экономических зависимостей, линейных и круговых диаграмм; все это используется для представления тенденций или структур, существующих в рассматриваемых данных, в доступной компактной форме, что облегчает понимание;

2) картография; например, географические рельефы, исследование карт, океанографические карты;

3) автоматизация чертежных и конструкторских работ в системах автоматизированного проектирования (САПР) используется при проектировании компонент различной природы: электрических, механических и электротехнических устройств и систем; к таким системам относятся сложные структуры (установки, здания, корпуса и т.д.); часто в этих случаях модель интерпретируется программой, которая выдает информацию о поведении системы оператору для выполнения следующих циклов моделирования и проверки;

4) моделирование и мультипликация (математические фигуры, математические модели) применяется для изучения таких явлений как поток жидкости, ядерные и химические реакции, физиологические системы, деформация конструкций и т.д.; другим применением мультипликации являются тренажеры, которые позволяют генерировать не только неподвижный, но и движущийся мир;

5) управление процессами: если летный тренажер или игровой автомат дают возможность только общаться с моделью воображаемого мира, то во многих других применениях пользователь может работать в интерактивном режиме непосредственно с некоторым объектом реального мира; например, дисплеи установленные на нефтеперерабатывающих заводах или в сетях ЭВМ позволяют представить визуально значения, которые поступают от датчиков, размещенных в наиболее важных точках системы, при аварийной ситуации в работу вступает оператор; авиадиспетчеры в аэропортах вместе с пятном на экране радиолокатора видят генерируемую ЭВМ информацию (идентификация самолета и его состояние), что позволяет быстрее и эффективнее управлять полетами;

6) автоматизация канцелярских работ и электронная публикация: машинная графика позволяет создавать традиционные твердые копии и электронные документы;

7) искусство и реклама: общей целью является выражение некоторого смысла и привлечение внимания публики с помощью эстетически приятных изображений; одним из экономически эффективных применений машинной графики стало изготовление слайдов для предоставления коммерческой, научной и учебной информации.