Modalități moderne de reprezentare a imaginii vizuale a fost elaborat de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau… [303754]

MINISTERUL EDUCAȚIEI AL REPUBLICII MOLDOVA UNIVERSITATEA PEDAGOGICĂ DE STAT

„ION CREANGĂ” [anonimizat] a imaginii vizuale

Teză de licență

Conducător științific:

[anonimizat] 2020

[anonimizat]: [anonimizat] ,,Ion Creangă” [anonimizat] ,,Grafică” declar pe propria răspundere că teza de licență cu tema: „Modalități moderne de reprezentare a imaginii vizuale” a fost elaborat de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau din străinătate.

[anonimizat] a sursei;

redarea/reformularea în cuvinte proprii a textelor altor autori conține referința precisă;

rezumarea ideilor altor autori conține referința precisă a originalului.

Furtuna Constantin_____________

[anonimizat], suntem dependenți de acest simț și foarte neajutorați când suntem lipsiți de el.  [anonimizat], obiectele, culorile, distanțele., etc. [anonimizat]. Imaginea, de la început fiind o reproducere a lucrurilor ce ne înconjoară a devenit un instrument complex de a ne expune gândurile și a transmite concepte.

[anonimizat], se adaptează cerințelor și capacităților a tehnologiilor moderne. [anonimizat] o etapă nouă în istoria lor. În această etapă imaginea îndeplinește tranziția înspre virtual cu o [anonimizat] 5 ani în urmă sunt deja depășite sau înnoite.

………Creionul a [anonimizat] – ecran, [anonimizat], subordonându-se fenomenului digitalizării.

[anonimizat] a fi cel mai mic component al imagini digitale. [anonimizat].
[anonimizat] „pixeli imprimați” într-o pagină sau reprezentați prin valori digitale sau pixeli pe un dispozitiv de afișare .

[anonimizat]. Această imagine arată modalități alternative de reconstruire a [anonimizat], [anonimizat] o filtrare graduală.

Rezoluția imaginii este numărul de puncte pe lungimea unității, a [anonimizat]. [anonimizat]-o cameră digitală „cu trei mega pixeli”, care are un număr nominal de trei milioane de pixeli sau ca o pereche de numere, a unui monitor „640 × 480”, care are 640 pixeli lungime și 480 înălțime (rezoluția unui monitor VGA). [anonimizat] 640 × 480 = 307.200 pixeli sau 0,3 mega pixeli.

Adâncimea culorii se referă la informația despre culoare stocate într-o imagine. Cu cât este mai mare adâncimea de biți a unei imagini, cu atât mai multe culori pot fi stocate. Numărul de culori distincte care pot fi reprezentate de un pixel depinde de numărul de biți pe pixel (bpp). O imagine de 1 bpp folosește 1 biți pentru fiecare pixel, deci fiecare pixel poate fi activat sau dezactivat. Fiecare bit suplimentar dublează numărul de culori disponibile, dar se mărește și mărimea fișierului.

Avantajele graficii rastru:

afișează un număr mare de culori

afișați gradienți și tranziții de culoare

afișarea unui număr mare de detalii mici

Dezavantajele graficii rastru:

când imaginea este micșorată, calitatea se deteriorează, deoarece se pierd detalii

când imaginea este mărită, calitatea se deteriorează, deoarece dimensiunea punctului crește (efectul de pixelare)

cu cât rezoluția și adâncimea de culoare sunt mai mari, cu atât dimensiunea fișierului este mai mare

Grafica vectorială

Grafica vectorială se caracterizează prin împărțirea imaginii într-o serie de primitive grafice – puncte, linii drepte, linii rupte, arcuri, poligoane. Astfel, devine posibil să stocăm nu toate punctele imaginii, ci coordonatele primitivelor și proprietățile acestora (culoare, legătura cu alte noduri etc.).

Un detaliu important este că obiectele sunt setate independent unul de celălalt și, prin urmare, se pot suprapune. Atunci când se utilizează reprezentarea vectorială, imaginea este stocată în memorie ca o bază de date cu descrieri ale primitivilor. Principalele primitive grafice utilizate în editorii de grafică vectorială: punct, linie, curba Bezier, elipsă (cerc), poligon (dreptunghi). Curba Bézier, poartă numele inginerului Pierre Bézier, care a mediatizat-o în anii '60. În grafica vectorială, curbele Bézier sunt utilizate pentru modelarea „Caii” sau „Drumului”, „Path”,  așa cum este menționat în mod obișnuit în programele de manipulare a imaginilor. Căile sunt intuitiv de modificat cu ajutorul mustețelor, care pot avea lungimi diferite cât și unghi.

Vectorul poate fi numit doar o modalitate de a descrie imaginea, imaginea în sine pentru a fi vizualizată  este rasterizata. Astfel, sarcinile unei programe de grafică vectorială sunt reprezentarea raster a primitivelor grafice și oferirea utilizatorului posibilitatea de a modifica parametrii acestor primitive.

Sfera de aplicabilitate a vectorului este destul de largă. În tipar, de la crearea de ilustrații color la lucrul cu fonturi care în exclusivitate sunt păstrate în format vector. De asemenea grafică computerizată, grafica 3D, modelare asistată de calculator și instrumentele CAD sunt toate domeniile prioritare pentru grafică vectorială.

Avantajele graficii vectoriale:

imagine vectorială poate fi ușor scalată fără pierderea calității, deoarece aceasta necesită recalcul a unui număr relativ mic de coordonate

fișierele grafice care stochează imagini vectoriale au un volum semnificativ mai mic (în comparație cu rastru)

Dezavantajele graficii vectoriale

vectorul nu poate înlocui formatul rastru. Graficele vectoriale nu sunt capabile să transmită tonuri și detalii mărunte ca imagine fotografică și servesc altor scopuri.

Fotografia

Fotografia este tehnica de a crea imagini sub acțiunea luminii, precum și denumirea acestor imagini și arta ce folosește această tehnică.

Scurt istoric

Fotografia are o istorie lungă înainte ca aceasta să intre în domeniul digital.

Joseph Nicéphore Niépce a fost pionierul în captarea imaginii folosind lumina, acesta încă la începutul secolului XIX inventează tehnica heliogravurii obținând o imagine după ce aceasta a fost expusă într-o cameră obscură pe o placă metalică acoperită cu beton care se întărește expus la soare. Aceasta dura câteva zile, iar imaginea obținută era lipsită de detalii.

Louis Daguerre, partener a lui Niepce după decesul acestuia , continuă lucrul asupra invenției și prezintă lumii metoda dagherotipiei. Metoda lui oferea mai multe detalii în imagine, iar timpul de expunere s-a micșorat la câteva minute.

Trebuie de menținut contribuția lui
James Clerk Maxwell în domeniul fotografiei, capturând o imagine prin filtre de diferite culori: roșu, verde, albastru la suprapunere a obținut prima fotografie color Tartan Ribbon în 1861.

Deasemenea un pas important în evoluția aparatelor foto a făcut-o Oskar Barnack. El a fost omul care a inventat primul aparat foto de format mic, mai bine cunoscut ca formatul 35mm – Leica I în 1925, care a devenit un standard a aparatelor foto pentru zeci de ani înainte.

Fotografia modernă sau fotografia digitală nu are nevoie de reacții chimice, cuprinde un spectru de culori foarte mare, aparatul foto a devenit compact, accesibil, un lucru la îndemâna fiecărui om, perioada de expunere s-a micșorat de la ore la fracțiuni de secunde, apar posibilități de manipulare a multor parametri a imaginii post factum.

Fotografia digitală apare în urma invenției foto senzorului – dispozitiv alcătuit din:

matrice cu elemente fotosensibile, fotodiode (explicatie)

convertor analogic-numeric ce transforma semnalul analog (explicație) obținut de la matrice în semnal digital (exp) Iar informația convertită poate fi vizualizată prin intermediul computerului sau a altor dispozitive ce permite citirea imaginii digitale

.

Animația

Scurt Istoric

Animația tradițională apare aproximativ la sfârșitul secolului XIX prin invenția praxinoscopului, esențial acesta era o bandă circulară pe care se plasau ilustrații iar acestea erau reflectate de oglinde din centru. Banda era rotită manual iar imaginile erau proiectate pe o suprafața. Bandele puteau fi ușor înlocuite iar mai apoi acestea au fost înlocuite cu bande rulante pentru a permite un număr mai mare de cadre și a elimina necesitatea de a schimba banda în timpul prezentației.

Animația tradițională include

Animația desenată manual

Filmele de lunga durată, calitative produse de Walt Disney studio,
Warner Bros. animation studio, care folosesc 24 cadre/s, pentru a reda o mișcare fluidă.

Filme cu animație limitată

Rotoscopie, unde animația e copiată de pe o scenă filmată

Filme în care animația desenată e combinată cu cadre filmate

Animația Stop motion

Animație cu păpuși

Animație din plastilină

Animație din figuri decupate

Manipulație cu obiecte și personaje

Animația Modernă

Animația tradițională astăzi se folosește mai mult ca excepție în scopuri stilistice decât ca o metodă esențială, deoarece pe piață apare calculatorul, modelarea 3D, imagine generată de computer (CGI).

Calculatorul economisește substanțial munca animatorilor și evident că industria s-a a adaptat repede la acestă tehnologie, animația desenată e

3D Modelare

În grafica computerizată, modelarea 3D este procesul de dezvoltare a unei reprezentări matematice a oricărei suprafețe a unui obiect în trei dimensiuni prin intermediul unui software specializat. Produsul se numește model 3D.. Poate fi afișat ca imagine bidimensională printr-un proces numit randare 3D. Modelul poate fi, de asemenea, creat fizic folosind dispozitive de imprimare 3D.

Modelele pot fi create automat sau manual. Procesul manual de modelare a pregătirii datelor geometrice pentru grafică 3D a computerului este similar cu artele plastice, cum ar fi sculptura.

Software-ul de modelare 3D este o clasă de programe grafice 3D folosite pentru producerea de modele 3D. Programele individuale din această clasă se numesc aplicații de modelare sau modelatoare.

Modelele tridimensionale (3D) reprezintă un corp fizic folosind o colecție de puncte în spațiul 3D, conectate de diverse entități geometrice, cum ar fi triunghiuri, linii, suprafețe curbe, etc. Fiind o colecție de date (puncte și alte informații), modele 3D poate fi creat manual, algoritmic (modelare procedurală) sau prin scanare. Suprafețele lor pot fi definite în continuare cu cartografierea texturii.

Astăzi, modelele 3D sunt utilizate într-o mare varietate de domenii. Industria medicală folosește modele detaliate de organe; acestea pot fi create cu mai multe secțiuni de imagine 2-D dintr-o scanare RMN sau CT. Industria filmelor le folosește ca personaje și obiecte pentru filme animate și nu numai. Industria jocurilor video le folosește ca resurse pentru calculatoare și jocuri video. Sectorul științei de exemplu le folosește ca modele extrem de detaliate ale compușilor chimici. Comunitatea de inginerie le folosește ca proiecte de dispozitive, vehicule și structuri noi, precum și o serie de alte utilizări. În ultimele decenii, comunitatea științifică a pământului a început să construiască modele geologice 3D ca practică standard. Modelele 3D pot fi, de asemenea, folosite la dispozitivele fizice care mai apoi sunt construite cu imprimante 3D.

Aproape toate modelele 3D pot fi împărțite în două categorii:

Solid – Aceste modele definesc volumul obiectului pe care îl reprezintă (ca o rocă). Modelele solide sunt utilizate în mare parte pentru inginerie și simulări medicale și sunt de obicei construite cu geometrie solidă constructivă

Shell sau suprafață – Aceste modele reprezintă suprafața, adică. limita obiectului, nu volumul acestuia (ca o coajă de ouă infinit de subțire). Aproape toate modelele vizuale utilizate în jocuri și film sunt modele shell.

Modelarea solidă și shell poate crea obiecte identice funcțional. Diferențele dintre ele sunt în mare parte modul în care sunt create și editate.

Procesul de transformare a reprezentărilor obiectelor într-o reprezentare a poligonală se numește tesselare. În etapă dată obiectele sunt defalcate din reprezentări abstracte („primitive”), cum ar fi sfere, conuri etc., la așa-numitele ochiuri, care sunt rețele de triunghiuri interconectate.

Ochiurile de triunghiuri (în loc de pătrate, de exemplu) sunt populare, deoarece s-au dovedit a fi ușor de rasterizat (suprafața descrisă de fiecare triunghi este plană, astfel încât proiecția este întotdeauna convexă); . Reprezentările poligonului nu sunt utilizate în toate tehnicile de randare.

Construcția Plasei poligonale

Metode diferite de a lucra cu un model 3D:

Modelare poligonală – Manipularea modelului prin modificarea poligoanelor individuale sau selectate în grupuri.

Modelarea cu ajutorul curbelor – Suprafețele sunt definite de curbe bezier, care sunt influențate de punctele de control ponderate.

Sculptură digitală – O metodă relativ nouă de modelare, sculptura 3D a devenit foarte populară în ultimii ani. Aceasta permite folosirea diferitor instrumente cu care e posibil de a interacționa cu suprafața obiectului 3D, cum ar fi netezire, apucare, tragere, ciupire, reliefare, astfel e posibil de manipulat cu modelul asemenea argilei reale.

Trebuie de menținut aici și metoda Fotogrammetriei, prin această metoda este posibil de a obține un obiect 3D prin ajutorul fotografiei obiectului din diferite unghiuri.

Realitatea augmentată și virtuală

Realitatea virtuală (VR) este o realitate simulată ce poate fi similară sau complet diferită de lumea reală. Aplicațiile de realitate virtuală se folosesc în divertisment și de asemenea în scopuri educaționale precum antrenament medical sau militar.

În prezent, sisteme standard de realitate virtuală utilizează fie căști de realitate virtuală, fie mașini sau încăperi în care se proiectează imaginea, sunete și dar și alte surse ce pot da senzația de prezența fizică într-un mediu virtual, de exemplu tehnologia haptic sau mai numită comunicare kinestetică.

Gadgeturi

Cască de realitate virtuală este un dispozitiv montat pe cap, care oferă realitate virtuală pentru purtător. Acestea reprezintă imaginea stereoscopic (care oferă imagini separate pentru fiecare ochi), de asemenea este folosit sunetul stereo și senzori de urmărire a mișcării capului (care pot include giroscopuri, accelerometre, magnetometre, etc. Unele căști VR au, de asemenea, senzori de urmărire a ochilor.

Casca VR de la compania Oculus Rift

Imaginea reprezentată de casca virtuală. Putem observa

compensația pentru distorsiunea lentilei și aberațiii cromatice

O mănușă digitală sau „cyberglove” este un dispozitiv de intrare pentru interacțiunea om-calculator.

Pentru a capta date fizice sunt folosite diverse tehnologii de senzori, cum ar fi îndoirea degetelor. Dispozitive de urmărire a mișcărilor, cum ar fi un dispozitiv de urmărire magnetică sau un dispozitiv de urmărire inerțială, este atașat pentru a capta datele de poziție și rotație ale mănușii. Aceste mișcări sunt apoi interpretate de software-ul care însoțește mănușa, astfel încât orice mișcare poate însemna orice număr de lucruri. Gesturile de asemenea pot fi apoi clasificate în informații utile, cum ar fi recunoașterea limbajului semnelor sau a altor funcții.

Mănușile digitale avansate pot oferi feedback haptic, ceea ce este o simulare a simțului atingerii.

Mănușă cu implementarea tehnologiei Haptic Mănușă digitală de la Cyberglove Systems

de la Compania HaptX

De asemenea în VR se folosesc și Controlere de mișcare, controlerul dat folosește accelerometre sau alți senzori pentru a urmări mișcarea și permite folosirea butoanelor pentru a interacționa in mediul virtual, iar ca feedback se folosește vibrația.

Controler de mișcare PlayStation move

Corpul uman în întregime la fel poate fi folosit ca o metoda de a comunica cu tehnologiile VR. Pentru aceasta se folosesc camere speciale cu tehnologia de motion tracking.

Kinect One, de la compania Microsoft

Kinect folosește adâncimea imaginii pentru a diferenția obiectele.

Tilt Brush

Tilt Brush este o aplicație de realitate virtuală de pictură 3D de la Google, dezvoltată inițial de Skillman & Hackett.

The Tilt Brush Wizard de Michal Kotek, 2018

Dancing Queen de Aleksander Caban, 2018

Victory Dance de Glen Keane, 2016

Virtual Reality Hands de VRHUMAN, 2018

Realitatea augmentată (AR) reprezintă o combinarea a lumii reale cu elemente din lumea virtuală, astfel creând o lume reală augmentată: vizual, auditiv, haptic, etc. AR poate fi definit ca un sistem care îndeplinește mai multe caracteristici: combină lumea reală și virtuală, permite interacțiunea în timp real, totul perceput ca un aspect imersiv al mediului real.

Informațiile senzoriale suprapuse pot fi constructive, adică aditive la mediul real sau distructive, adică care maschează mediului real.

Față de realitatea virtuală, AR modifică percepția mediului înconjurător, în timp ce realitatea virtuală înlocuiește complet mediul real al utilizatorului cu unul simulat.

Realitatea augmentată poate avea mai multe aplicații, cum ar fi: jocuri și divertisment, artă, medicină, arheologie, arhitectură, comerț și educație.

Proiectare și planificare urbană

Sistemele AR sunt utilizate ca instrumente pentru proiectare și planificare în industria construcțiilor. De exemplu, AR poate fi utilizat pentru a crea hărți, clădiri și alte date proiectate pe tablete pentru vizualizare de către profesioniștii din industria construcțiilor. Designul poate fi modificat în timp real și astfel se obține o vizualizare mai aproape de realitate decât metodele tradiționale, cum ar fi hărțile 2D și modelele 3D.

Aplicația YARD pentru arhitectură, permite vizualizarea proiectelor finalizate în timp ce acestea sunt în proces de lucru.

Educație

În domeniul educației, AR poate fi utilizat pentru a îndeplini un curriculum standard. Textul, grafica, video și audio pot fi suprapuse în timp real pentru elevi. Manualele, și alte materiale educaționale de citire pot conține „markere” sau declanșatoare încorporate care, atunci când sunt scanate de un dispozitiv AR, afișează informații suplimentare pentru studenți redate într-un format multimedia.
Pe măsură ce AR evoluează, elevii pot participa interactiv și pot interacționa cu cunoștințe mai autentic. În loc ca informația să fie consumată pasiv, elevii pot deveni implicați activ, interacționând cu mediul lor de învățare. De exemplu simulările generate de computer a evenimentelor istorice permit studenților să exploreze și să învețe în detalii despre fiecare eveniment semnificativ din istorie.

În învățământul superior, Construct3D, permite studenților să învețe concepte de inginerie mecanică, matematică sau geometrie. Aplicațiile pentru chimie AR permit studenților să vizualizeze și să interacționeze cu structura spațială a unei molecule folosind un obiect marker ținut în mână. HP Reveal, o aplicație gratuită, e folosită pentru studierea chimiei organice sau pentru a crea demonstrații virtuale despre modul de utilizare a instrumentelor de laborator. Studenții de anatomie pot vizualiza diferite sisteme ale corpului uman în trei dimensiuni. Utilizarea AR ca instrument pentru învățarea structurilor anatomice s-a dovedit că crește cunoștințele studentului și oferă beneficii intrinseci, cum ar fi implicarea crescută și imersiunea cursantului.

Aplicația Human Anatomy Atlas

Artele vizuale

AR aplicat în artele vizuale permite obiectelor sau locurilor să declanșeze vizualizări artistice multidimensionale și interpretări ale realității.

AR poate ajuta la promovarea artelor vizuale în muzee, permițând vizitatorilor muzeului să vizualizeze operele de artă în galerii într-un mod multidimensional prin intermediul ecranelor de telefon, acest lucru le permite persoanelor să vadă aspecte noi despre tablouri și să poată avea o experiență tehnologică interactivă cu operele de artă. Dar de asemenea are loc organizarea vernisajelor de artă augmentată, viitorul expozițiilor.

Exhibiția “Reblink”, 2017 – 2018, a Galeriei de Arta din Ontario

Exhibiția “Reblink”, 2017 – 2018, Galeria de Artă din Ontario

Exhibiția “Prosthetic reality”, 2017, House of VR, Toronto

Fractal

Un fractal (lat. Fractus – parțial, fragmentat) este o figură geometrică complexă care are proprietatea asemănării cu sine, adică compusă din mai multe părți, fiecare fiind similară cu întreaga figură. Proprietatea de asemănare cu sine este caracteristică multor obiecte naturale. Această proprietate poate fi observată, de exemplu, de crengile copacilor, fulgii de zăpadă, limitele norilor și coastelor mării, fisurile din pietre, structurile anumitor substanțe obținute cu un microscop electronic

Geometria fractalilor permite să descriem și să obținem imagini asemenea obiectelor naturale folosind mijloace matematice. În grafică computerizată, fractalele pot fi utilizate nu numai pentru a genera imagini cu detalii complexe, ci și pentru a optimiza imaginile prin compresie.

Posibil prototipul pentru fractali a fost Mulțimea Cantor, aceasta a fost creată prin ruperea unei linii drepte în treimi și ștergerea treimii medii. În iterațiile ulterioare, este creat un praf infinit de multe puncte.

Pentru clasificarea fractalilor, se folosește adesea diviziunea în următoarele clase:

fractale geometrice

fractale algebrice

fractale stohastice.

Fractale geometrice

Fractalele acestei clase sunt cel mai ușor de descris. În cazul bidimensional, acestea sunt obținute folosind o linie ruptă (sau suprafață în cazul tridimensional), numită generator. Într-o etapă a algoritmului, fiecare dintre segmentele care alcătuiesc linia ruptă este înlocuit cu un generator la scara corespunzătoare. Ca urmare a repetării interminabile a acestei proceduri, se obține un fractal geometric

Fractale algebrice

Acesta este cel mai mare grup de fractali. Fractalii algebrici și-au primit numele, deoarece sunt construiți folosind formule algebrice. Sunt obținute folosind procese neliniare în spații n-dimensionale.

Deoarece fractalele algebrice pot fi create iterând o ecuație de mii de ori, calculatorul este necesar pentru a calcula și crea o reprezentare vizuală a fractalului algebric. Imediat după inventarea calculatoarelor personale, au putut fi create fractale generate de computer. În 1980, Benoit B. Mandelbrot a popularizat fractalul ce îi poartă numele.

Mulțimea Mandelbrot

Pentru a se obține ultima imagine, prima a fost mărită de aproximativ 60 000 000 000 de ori. În comparație cu un monitor obișnuit, ea reprezintă o secțiune într-o mulțime a lui Mandelbrot cu un diametru de 20 milioane de kilometri. Frontiera sa ar dezvălui o cantitate imensă de structuri fractale diferite.

Mulțimea Julia

Fractale stohastice

O altă clasă bine cunoscuta de fractali sunt fractalii stohastici, care se obțin dacă în procesul iterativ oricare dintre parametrii săi sunt schimbați la întâmplare. Aceasta produce obiecte foarte similare cu cele naturale – copaci asimetrici, linii de coastă accidentate etc. Un reprezentant tipic al acestui grup de fractali este „plasma”.

Pentru a construi, se ia un dreptunghi și se determină o culoare pentru fiecare dintre unghiurile sale. Următorul este punctul central al dreptunghiului și este pictat într-o culoare egală cu media aritmetică a culorilor din colțurile dreptunghiului, plus un număr aleatoriu. Cu cât este mai mare numărul aleatoriu, cu atât desenul va fi mai „sfâșiat”. Dacă presupunem că culoarea punctului este înălțimea deasupra nivelului mării – în loc de plasmă obținem un masiv. Pe acest principiu, munții sunt modelați în majoritatea programelor. Folosind un algoritm similar cu o plasmă, se construiește o hartă a înălțimii, i se aplică diverse filtre, se aplică o textură și munții fotorealistici sunt gata.