Grafica vettoriale. applicazioni di tipo fotografico

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1 Grafica vettoriale Come abbiamo visto in un certo dettaglio, la grafica raster si basa sull'idea di definire certe proprietà (colore, trasparenza, ecc.) di ogni pixel applicazioni di tipo fotografico Al contrario la grafica vettoriale si basa sull'idea di dare una descrizione geometrica dell'immagine applicazioni di tipo tecnico o fumettistico

2 Grafica vettoriale L'elemento base della grafica raster sono i pixel L'elemento base della grafica vettoriale sono gli elementi geometrici: linee curve aree Ogni elemento è caratterizzato da certe proprietà che ne definiscono l'aspetto

3 Grafica vettoriale Quali elementi siano disponibili per il disegno, e quali siano le loro proprietà specifiche, è definito da un linguaggio ne esistono molti, noi discutiamo ora i concetti generali, più avanti vedremo i principali Un disegno in grafica vettoriale può essere visto come un insieme di istruzioni (immagine) rivolte a un disegnatore (motore di rendering) ed espresse in un dato linguaggio (formato)

4 Grafica vettoriale Un'immagine come quella qui accanto è codificata in termini di curve, aree, linee... Di ciascun elemento è data una rappresentazione matematica astratta (equazioni)

5 Grafica vettoriale Le varie parti che compongono l'immagine sono separabili Esempio: varie curve chiuse aree interne colorate linee di confine (bordi) visibili o meno

6 Grafica vettoriale Le aree chiuse sono definite da: la forma dell'area, data da un insieme di punti e da parametri che regolano la curvatura delle linee fra questi punti il tipo di linea o bordo, dato da una forma del pennello, un colore, parametri che regolano in che modo disegnare gli angoli il tipo di riempimento, per esempio un colore piano, un motivo, una sfumatura, e i relativi parametri

7 Elementi di base y I punti geometrici sono dati da coordinate in un piano cartesiano (x,y) I colori sono un punto nello spazio dei colori (r,g,b)* x * sono naturalmente possibili altre codifiche dei colori, come già visto

8 Elementi di base Figure geometriche regolari rettangoli, ellissi,... Polilinee TESTO! aperte o chiuse Linee semplici Immagini raster Testo

9 Object 8 Elementi di base In effetti, i formati vettoriali sono quasi objectoriented Alcuni formati possono anche avere elementi di base strani applet Java filmati, animazioni, audio oggetti COM (Word, Excel,...) oggetti grafici speciali (stelle, fumetti,...)

10 Elementi di base Solitamente, di ogni elemento si possono definire separatamente attributi del bordo (linea) attributi del riempimento (area)

11 Attributi delle linee stile invisibile, continuo, tratteggiato,... colore colore pieno, sfumatura, trasparenza larghezza spessore della linea pennello (raro)

12 Attributi delle linee Forma alle estremità semplice, con frecce, con simboli vari Tipo di disegno ai vertici semplice, arrotondato, smussato, mitrato

13 Attributi delle linee Quando l'attributo pennello è supportato, è possibile realizzare effetti calligrafici forma dimensione movimento pressione

14 Attributi delle aree Riempimento colore, tratteggio, sfumatura, bitmap trasparenza ombreggiatura (raro) A seconda dei linguaggi, varie combinazioni

15 Definizione di curve Il caso più semplice è quello in cui la curva è in realtà formata da una sequenza di segmenti di retta: Tuttavia, questa approssimazione è troppo grossolana se la curva viene ingrandita o manipolata

16 Definizione di curve Analogamente avviene per l'approssimazione di un cerchio con un poligono con un numero elevato di lati:

17 Definizione di curve Si usano quindi delle reali curve (in senso matematico): funzioni parametriche di tipo analitico le funzioni parametriche hanno un valore che varia al variare di un parametro t al momento del disegno, il motore di rendering calcola le equazioni e disegna la curva corrispondente

18 Esempio: equazione di una retta Il caso più semplice è quello della retta Il segmento di retta fra due punti P 0 e P 1 è definito dall'equazione: B t = 1 t P 0 tp 1,con t [0,1] va notato che P 0 e P 1 sono due vettori, ovvero coppie [x y] t è invece un numero reale; la moltiplicazione si effettua con entrambe le componenti

19 Esempio: equazione di una retta Proviamo a calcolare manualmente i punti risultanti dall'equazione B t = 1 t P 0 tp 1 Avremo: P 0 =(1,5) e P 1 =(15,18) t varierà fra 0 e 1

20 Esempio: equazione di una retta B t = 1 t P 0 tp 1 P 0 =(1,5) P 1 =(15,18) t varierà fra 0 e 1 B(t) t x y 0,0 1,0 5,0 0,1 2,4 6,3 0,2 3,8 7,6 0,3 5,2 8,9 0,4 6,6 10,2 0,5 8,0 11,5 0,6 9,4 12,8 0,7 10,8 14,1 0,8 12,2 15,4 0,9 13,6 16,7 1,0 15,0 18,0 Es.: per t=0,3, abbiamo x = (1-0,3)*1 + 0,3*15 = 5,2 y = (1-0,3)*5 + 0,3*18 = 8,9

21 Definizione di curve Esistono molte equazioni che definiscono curve fra le principali: spline, curve di Bezier Tutte si basano sul concetto di punti di controllo Manipolando opportunamente (ovvero, spostando) i punti di controllo, si può regolare interattivamente la forma della curva

22 Spline Le spline sono curve passanti esattamente per n punti di controllo dati La curva è composta da n-1 segmenti, ciascuno dei quali è una approssimazione polinomiale quadratica o cubica passante per due o tre punti di controllo consecutivi In più, si chiede che le derivate prime ai punti di contatto dei segmenti siano uguali, ed eventualmente che le derivate seconde siano 0, cosicché la spline risultante è continua e morbida

23 Spline Le spline hanno un funzionamento intuitivo... la curva passa sempre per i punti di controllo... ma causano difficoltà di manipolazione in alcuni casi, la curva impazzisce, piccole variazioni nei punti di controllo causano grandi variazioni della curva

24 Curve di Bezier Le curve di Bezier prendono un approccio diverso: la curva è suddivisa in frammenti ogni frammento inizia e finisce in un punto di controllo la curvatura è però stabilita da ulteriori punti di controllo secondari, tramite i quali si può stabilire la tangente alla curva nei punti principali la curva non passa per i punti di controllo secondari

25 Curve di Bezier Le curve di Bezier sono curve parametriche, analoghe al caso della retta che abbiamo già visto Anzi... l'equazione parametrica della retta è proprio una curva di Bezier lineare In grafica, si usano maggiormente le curve di Bezier quadratiche e cubiche

26 Curve di Bezier Lineare B t = 1 t P 0 tp 1 Quadratica B t = 1 t 2 P 0 2t 1 t P 1 t 2 P 2 Cubica B t = 1 t 3 P 0 3t 1 t 2 P 1 3t 2 1 t P 2 t 3 P 3

27 Curve di Bezier Le curve di Bezier lineari sono quelle che già conosciamo Hanno due punti di controllo (P 0 e P 1 ) Il punto B(t) si sposta al variare di t tracciando la retta che collega P 0 e P 1

28 Curve di Bezier Le Bezier quadratiche hanno tre punti di controllo Al variare di t, due punti Q 0 e Q 1 si spostano fra P 0 e P 1 e fra P 1 e P 2 B(t) si sposta anche lui fra Q 0 e Q 1

29 Curve di Bezier Le Bezier cubiche hanno quattro punti di controllo Q 0, Q 1 e Q 2 descrivono tre Bezier lineari R 0 e R 1 si spostano fra Q 0 e Q 1 e fra Q 1 e Q 2, rispettivamente, descrivendo così due Bezier quadratiche B(t) si sposta fra R 0 e R 1 e descrive una Bezier cubica

30 Curve di Bezier Il gioco può continuare a piacimento, ma raramente si usano curve di dimensione maggiore troppo costose da calcolare difficili da controllare (troppi punti di controllo) si preferisce unire più segmenti cubici

31 Curve di Bezier Nel caso di Bezier cubiche, i punti di controllo hanno un'intepretazione semplice e graficamente intuitiva: il primo e il quarto punto stabiliscono dove la curva comincia e finisce il secondo e il terzo punto stabiliscono: la tangente alla curva agli estremi (angolo rispetto al primo e quarto) la forza con cui la curva è tirata verso di loro (distanza rispetto al primo e quarto)

32 Curve di Bezier Oltre ad avere proprietà rilevanti di continuità e regolarità che rendono le curve di Bezier esteticamente piacevoli, esse godono di alcune altre proprietà matematiche utili per esempio, una curva è sempre contenuta nell'inviluppo convesso dei suoi punti di controllo non scappa come fanno le spline! vale per qualunque ordine

33 Curve di Bezier Inviluppo convesso di {P 0, P 1, P 2, P 3, P 4 }

34 Le curve di Bezier cubiche Gli strumenti di editing di immagini vettoriali spesso supportano curve composte da segmenti, ciascuno dei quali è una Bezier cubica Nei punti intermedi, i punti di controllo dei due segmenti adiacenti sono normalmente colineari È possibile però modificarli in modo da creare delle cuspidi

35 Le curve di Bezier cubiche Gli strumenti di editing di immagini vettoriali spesso supportano curve composte da segmenti, ciascuno dei quali è una Bezier cubica Nei punti intermedi, i punti di controllo dei due segmenti adiacenti sono normalmente colineari È possibile però modificarli in modo da creare delle cuspidi

36 Path Con un po' di destrezza, è possibile creare curve di grande complessità Sequenze di curve di Bezier come queste sono dette a volte path (percorsi, cammini, tracciati) Le modalità con cui si editano le curve variano leggermente a seconda dei programmi, ma il principio è lo stesso

37 Esempio Per esempio, l'impugnatura del pennello è un path composto da quattro segmenti Essendo un path chiuso, ha quattro punti di controllo principali, per i quali passa il bordo Ognuno di questi ha due punti di controllo secondari Questi ultimi non sono colineari, e infatti ci sono delle cuspidi ( angoli ) Per finire, il path è reso con una linea nera spessa e un'area in colore marrone

38 Altre operazioni sui path I linguaggi vettoriali più avanzati e i programmi di editing migliori consentono di applicare altre operazioni ai path Per esempio, è possibile unire più percorsi in uno solo, o definire un nuovo percorso che contiene solo le aree comuni a due altri percorsi, e così via... Grande varietà, le possibilità sono moltissime!

39 Altre operazioni sui path Ecco alcuni esempi: unione differenza intersezione esclusione divisione taglio figure originali unione differenza intersezione esclusione divisione taglio

40 Altre operazioni sui path Alcune operazioni svolte dai programmi svolgono funzioni di utilità: semplificazione di un path: si rimuovono i punti di controllo troppo vicini gli uni agli altri, o che non alterano la forma di una curva tracciatura di un path: si crea un nuovo path, che segue i bordi (considerando la dimensione della penna) di quello vecchio estrusione di un path: si crea un nuovo path allargando quello vecchio...

41 Esercizio Disegnare il path composto da due segmenti (curve di Bezier cubiche), identificati dai seguenti punti di controllo: Primo segmento: [0,0], [0,5], [5,5], [5,0] Secondo segmento: [5,0], [5,-5], [10,-10], [10,0]

42 Trasformazioni 2D Il grande vantaggio della grafica vettoriale è che le immagini vettoriali descrivono entità matematiche È immediato manipolare matematicamente tali entità In quasi tutte le manipolazioni non si perde informazione Grande differenza rispetto alla grafica raster!

43 Trasformazioni 2D Un esempio: ingrandimento In grafica raster, i pixel diventano visibili, l'immagine è sgranata: cattiva qualità In grafica vettoriale, il risultato rimane perfetto

44 Trasformazioni 2D Un esempio: rotazione La stessa cosa accade con una rotazione di pochi gradi: le immagini raster diventano scalettate Le immagini vettoriali rimangono intatte

45 Trasformazioni 2D La ragione di queste differenze risiede nel diverso modo in cui vengono svolte le operazioni su raster e su vettori: su raster, si manipolano i singoli pixel (ingrandendoli, spostandoli), ma poi il risultato deve essere nuovamente approssimato al pixel su vettori, si calcolano le nuove posizioni dei punti di controllo, quindi si ridisegnano curve e altri elementi geometrici ex-novo

46 Trasformazioni 2D Spostamenti si somma lo spostamento δ=[x y] a tutti i punti Ingrandimenti si moltiplicano le coordinate dei punti per il fattore di scala α Rotazioni... si moltiplicano le coordinate dei punti per il seno e il coseno dell'angolo di rotazione θ

47 Trasformazioni 2D Esempio: triangolo [1,1],[4,1],[6,5]

48 Trasformazioni 2D Esempio: triangolo T 0 =[1,1],[4,1],[6,5] Scaliamo con α=3.0 triangolo T 1 =αt 0 T 1 =[3,3], [12,3],[18,15]

49 Trasformazioni 2D Esempio: triangolo T 0 =[1,1],[4,1],[6,5] Scaliamo con α=3.0 triangolo T 1 =αt 0 T 1 =[3,3], [12,3],[18,15] Trasliamo di δ=[-2,2] triangolo T 2 =T 1 +δ T 2 =[1,5],[10,5][16,17]

50 Trasformazioni affini Abbiamo visto che l'uso delle semplici coordinate cartesiane comporta qualche difficoltà nell'applicazione delle trasformazioni 2D Per esempio: l'ingrandimento sposta contemporaneamente l'oggetto ingrandito

51 Trasformazioni affini Una trasformazione lineare è una funzione fra spazi che preserva le combinazioni lineari (operazioni di somma e di moltiplicazione per scalare) Una trasformazione affine è una trasformazione esprimibile come somma di una trasformazione lineare seguita da una traslazione Es.: scalature, traslazioni, rotazioni, riflessioni, shear e skew

52 Coordinate omogenee Usando le coordinate omogenee, tutte le trasformazioni affini possono essere espresse come una semplice moltiplicazione fra matrici Coordinate di un punto Coordinate cartesiane: [ x y ] Coordinate omogenee: [ x y 1 ] sarebbero possibili anche altri valori per il terzo elemento, ma 1 è una scelta comoda

53 Moltiplicazione tra matrici Nota: moltiplicazione tra matrici date due matrici A di dimensione m n e B di dimensione n p, il prodotto fra A e B è una matrice R di dimensione m p l'elemento di indice (i,j) è calcolato come segue: n R = i, j k =1 A i,k B k, j

54 Moltiplicazione tra matrici Esempio: moltiplicazione fra matrici [ ] [ ]=[ 8 4 2] 6 0 segue banalmente dalla definizione...

55 Moltiplicazione tra matrici Esempio: moltiplicazione fra matrici [ ] [ ]=[ ] = [ ] [ ] [ ]=[ [ ] [ ]=[ [ ] [ ]=[ ] = [ ] ] = [ ] ] = [ ]

56 Trasformazioni con coordinate omogenee Traslazione formulazione in coordinate cartesiane p=[x y ], =[a b ]: p =[x a y b] formulazione in coordinate omogenee 0 a =[1 0 1 b p=[x y p=[x a y b 0 0 1], 1]: 1]

57 Trasformazioni con coordinate omogenee Scalatura (uniforme) formulazione in coordinate cartesiane p=[x y ]: p=[ x y ] formulazione in coordinate omogenee 0 0 A=[ 0 0 y 0 0 1],p=[x 1 ]: A p=[ x y 1 ]

58 Trasformazioni con coordinate omogenee Scalatura (non uniforme) formulazione in coordinate cartesiane p=[x y ]: p=[ x x y y ] formulazione in coordinate omogenee x 0 0 A=[ 0 y 0 y A p=[ x x y y ],p=[x 1]: ] quanto i fattori di scala sono -1, si ottengono le riflessioni speculari

59 Trasformazioni con coordinate omogenee Rotazione formulazione in coordinate cartesiane p=[x y ]: p rot =[x cos y sin x sin y cos ] formulazione in coordinate omogenee sin 0 P=[cos sin cos 0 p=[x y 0 0 1], 1]: P p=[x cos y sin x sin y cos 1 ]

60 Trasformazioni con coordinate omogenee Il grande vantaggio delle coordinate omogenee è che tutte le trasformazioni diventano moltiplicazioni Le moltiplicazioni possono essere combinate fra di loro, creando operazioni più complesse per esempio: scalatura + traslazione in una sola operazione La combinazione si fa moltiplicando fra loro le matrici delle operazioni

61 Trasformazioni con coordinate omogenee Siano M 1 e M 2 due matrici di trasformazione, e P un punto (in coordinate omogenee) Il prodotto M 1 M 2 P è la rappresentazione, sempre in coordinate omogenee, del punto ottenuto applicando a P prima M 2 e poi M 1 La matrice M=M 1 M 2 è una matrice di trasformazione che rappresenta la combinazione delle due operazioni

62 Trasformazioni con coordinate omogenee Esempio: scalatura di 3 e (poi) traslazione di [1 5]: =[ A=[ A=[ ], 0 0 1]: 0 0 1] In genere, si assume sempre che le figure siano, per esempio, disegnate intorno all'origine (0,0) e grandi quanto basta per stare in un cerchio di raggio 1 Poi, si moltiplica per una opportuna matrice per portare la figura a posto

63 Trasformazioni con coordinate omogenee Molte operazioni di disegno (spostamenti, rotazioni, ingrandimenti) fatte con i programmi di disegno vettoriale non modificano la posizione dei punti! Si limitano a cambiare la matrice di trasformazione associata alla figura! di solito include traslazione, rotazione, scalatura, shear, skew, riflessione

64 Trasformazioni con coordinate omogenee Quando più figure vengono raggruppate in un unico gruppo, all'intero gruppo viene associata una ulteriore matrice di trasformazione Le matrici di ciascun elemento lo scalano, ruotano e spostano in modo da formare la figura intera del pennello Il gruppo così formato ha una propria matrice, che consente di spostarlo, ruotarlo, ingrandirlo ecc. come un oggetto unico

65 Trasformazioni con coordinate omogenee Analogamente, gli interpreti dei linguaggi di grafica vettoriale (motori di rendering) contengono istruzioni speciali per stabilire le matrici di trasformazione In genere, esiste il concetto di matrice di trasformazione corrente, che viene applicata a tutti i punti disegnati Il disegno decide quando moltiplicare altre matrici (componendo le trasformazioni) o ripristinare la matrice precedente

66 Esercizio Scrivere le matrici di trasformazione per: ingrandire di un fattore 2 lungo l'asse x e di un fattore 4 lungo l'asse y spostare di 2 unità a destra lungo l'asse x e di 2 unità in basso lungo l'asse y ribaltare specularmente lungo l'asse orizzontale Moltiplicare fra loro queste matrici in modo che le operazioni vengano applicate nell'ordine dato sopra e scrivere la matrice di trasformazione risultante

67 Esercizio Applicando ora la matrice risultante, si disegni nuovamente il path costruito unendo le due Bezier cubiche seguenti (esercizio della lezione precedente): Primo segmento: [0,0], [0,5], [5,5], [5,0] Secondo segmento: [5,0], [5,-5], [10,-10], [10,0] Si confrontino visivamente le due curve (originale e trasformata). Il risultato coincide con le aspettative?