[Computer Graphics] 2. Graphic System

Lern-Backup·2021년 10월 11일
Computer Graphics
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1. 그래픽 하드웨어 종류와 작동 원리

Graphics Hardware

  • 프로세서 CPU, Memory
  • 입력과 디스플레이 디바이스
  • 비디오 프로세서 GPI (3D 그래픽스 렌더링)

Physical Input Devices

상대 입력 장치(Relative Input Devices)

  • 마우스, 조이스틱, 트랙볼, 스페이스볼
  • map을 디지털하기 위한 십자 선 커서

절대 입력 장치(Absolute Input Devices)

  • 타블렛, 스타일러스 펜
  • 터치스크린

Touch Screen

  • 감압식(Resistive Touch screen) : 압력으로 감지
  • 정전 방식(Capactive Touch screen) : 정전기를 통해 인식, 스마트폰 등

Logical Input Devices

cin >> x // scanf("%d", &x);
// a = int(input())
  • 입력 장치란? 코드로부터 알 수 없음 (무엇으로 입력되었는지?)
  • 키보드, 파일, 다른 프로그램의 출력 결과임
  • 여러개의 물리 장치로 입력받은 값들을 하나의 논리 장치로 처리할 수 있음

Logical Devices

  • 6개의 logical input 존재
  1. Locator : return a position (x, y) ⬅ 좌표를 주는 장치
  2. Pick : 객체 ID 리턴
  3. Keyboard : 키보드로 입력되는 문자 반환
  4. Stroke : 마우스가 움직일 때 좌표값 반환
  5. Valuator : 실수값 전달
  6. Choice : 메뉴 리턴

CRT Display

Cathode Ray Tube(CRT)

  • 빛이 발광하고 바로 사라지기 때문에 계속 쏴 주어야 화면을 볼 수 있음
  • 주기적은 재활성률이 필요
  • Refresh rate : 60Hz ➡ 1초에 60번씩 쏴 주어야 유지

LCD

Liquid Crystal Display(LCD)

  • 현재 전류에 의해 재배열됨
  • Liquid crystal은 전류에 의해 방향이 바뀌어 이로 인해 빛의 투과량이 달라짐
  • 색상판 (R, G, B)에 닿는 빛의 양을 조절
  • ex) 모니터, 휴대폰

Stereoscopic Image display

  • 사람은 왼쪽과 오른쪽 눈의 이미지를 조합하여 3D 입체감을 느낄 수 있음

Polarized glass

  • 두 가지의 이미지를 조합해 겹쳐 보이게 해 입체적으로 보이게 함

Hologram

Graphics Software

Drawing / Painting tools

  • Corel Painter : Raster (픽셀의 흐름)
  • Adobe Illustrator : Vector (Object의 흐름)

Graphics Software

Image Editor

  • Adobe Photoshop

3D Modeling and Animation

2. 래스터 그래픽 장치

Raster Graphics

  • Pixel : Picture Element
  • Raster : 픽셀의 집합으로 이루어짐
  • 해상도(Resolution) : 화면에 출력된 픽셀 개수
  • Width x Height = 800 * 600 (가로 x 세로 픽셀수)
  • DPI(Pixels per Inch) : 1인치 안에 픽셀 몇개?

Resolution

  • HD ➡ FHD ➡ 4K UHD ➡ 8K UHD (4배씩 증가)

Raster Graphics

  • 디지털 이미지는 픽셀들의 배열인 래스터 방식으로 표현

  • Pixel : 래스터 이미지의 자동 유닛으로 색의 강도 값을 가짐(0 ~ 255 or 0.0 ~ 1.0)

  • Resterization(래스터화) : 스캔 변환, 벡터에 상응되는 시스템 안에 객체는 픽셀에 상응되는 시스템으로 변환

  • 부동 소수점은 정수 숫자로 반올림됨

  • Aliasing : 기울기가 있는 경우 경계가 깨지는 현상

  • Anti-aliasing : 선을 부드럽게 해주는 알고리즘

Frame Buffer

  • 디스플레이로 보내지는 이미지는 이미지 데이터를 완전히 저장하는 비디오 메모리 공간 ➡ color buffer
  • Digital to Analog Conversion (DAC) : 프레임 버퍼 안의 디지털 데이터/신호는 비디오 컨트롤러에 의해 화면 위의 픽셀로 표현되기 위한 아날로그 신호(analog voltage)로 변환

HCI

  • ADC devices : 카메라, 스캐너, microphone, touch screen(haptic current)
  • DAC devices : 모니터, 스피커, 모터

Bit Plane

  • 픽셀의 색은 원색의 조합에 의해 정해지며 구성 요소(R, G, B) 또는 픽셀당 비트 평면임
  • A bit plane has two kinds of color (0 or 1) ⬅ 흑백 이미지만 표현 가능
  • 3 bit plane (1 bit / component) = 2^3 = 8 colors / pixel
  • 9 bit plane (3 bits / component) = 2^9 = 519 colors / pixel

Frame Buffer

  • 512가지 색상을 가진 1280x1024 이미지의 최소 프레임 버퍼 크기
    = 1280 x 1024 x 9 bits = 1.41 MB
  • Ex) 24비트 color를 가진 1024 x 768 이미지의 최소 프레임 버퍼 크기
    = 1024 x 768 x 3 bytes
    = 2,359,296 bytes
    = 2,304 KB
    = 2.26 MB

3. 벡터 그래픽 장치

Vector Graphics

  • 객체는 벡터에 상응되는 시스템으로 점, 선, 면으로 그려짐
  • 정점의 집합과 drawing command scripts 에서 표현
  • 이미지에 대한 정점 데이터와 명령문을 저장

  • 10진수 공간의 무한 해상도
  • pixel과 aliasing side-effect에 대한 개념 X
  • contents의 복잡도에 따라 랜더링 시간이 달라짐 (drawing이 많아질수록 속도 느려짐)

  • 정점의 집합과 scripts 명령어는 디스플레이 리스트 안에 저장

  • 객체를 그리기 위해 GPU는 scripts 명령어를 정점 데이터를 가지고 해석하는 것

  • Plotter, oscilloscope (voltage measurement)

Raster vs. Vector Graphics

RasterVector
How to drawRasterization (Scan conversion)Interpret a display list
AliasingoccurredNot occurred
Polygon fillingFastSlow
Frame buffer sizeLarge binary fileSmall text file
Processing timeconstantvariable by drawing contents

Graphic Processor

  • Video board/adapter
  • 프레임 버퍼 데이터는 디스플레이 디바이스에 변환됨 (DAC)

Rasterization

  • 예전 컴퓨터는 CPU를 사용하여 소프트웨어 기반의 래스터화를 함
  • 현대 컴퓨터는 GPU를 사용하여 래스터화 속도를 가속화함

GPU

  • Display processor + Geometry processor
  • HW acceleration

Display processor

  • 2D graphic processing for bitmap, line drawing, filling

Geometry processor

  • 3D 변환

AGP (Accelerated graphic port)

  • 데이터를 주고받음

Device driver program

  • control GPU bt CPU-instruction
  • convert CPU instruction into GPU command
  • CPU 명령어 ➡ GPU 명령어로 변환

Double Buffering

프레임 버퍼에서의 읽기와 쓰기

  • 래스터화 이미지는 프레임 버퍼에 의해 기록되고 비디오 컨트롤러에 의해 읽힘
  • 래스터화 지연으로 인해 쓰기 프로세스가 완료되기 전에 프레임 버퍼 데이터를 읽으면 어떻게 되는가?

  • 화면 c가 보임
  • 깜빡임이 발생
  • Front buffer : 데이터가 완료돼서 video controller가 읽게 함
  • Back buffer : GPU가 사용하는 buffer (write)
  • Buffer swapping : back 버퍼에 데이터 쓰기가 완료되면 두 버퍼의 역할이 바뀌며 이 swapping은 애니매이션이 끝날 때까지 반복됨

4. 컬러 모델과 모드

Color models

  1. Hue, Luminance, Saturation
  2. RGB, DMY, HSV color models
  3. RGB and Indexed color models
  4. Half toning and Dithering

Light Source

Light = 가시광선 (Electromagnetic wave)

  • 가시광선 파장 : 390nm ~ 720nm
  • 역수가 색 주파수

Light source

  • 백색광은 모든 색 주파수들의 혼합된 결과물
  • 빛의 반사, 굴절, 흡수는 물체의 표면에서 일어남

Hue, Luminance, Saturation

Hue (색)

  • 모든 주파수의 가장 높은 에너지를 가진 색

Luminance (명도)

  • 빛 에너지의 총 양
  • 파동 곡선 아래의 영역 (그래프의 면적)

Saturation (채도)

  • Ed(주요 에너지) - Ew(낮은 에너지)
  • 날카로움, 순수함
  • 파스텔 색상은 낮은 채도를 가짐

Color Matching Funcion

  • 표준 색들의 구성요소들로부터 색이 만들어짐
  • ex) Brown(582nm) = Red(0.25) + Green(0.16) + Blue(0.0)
  • 빨간색의 음의 영역은 표현되지 않음

CIE Color Model

CIE (Commission Internationale d'Eclairage)

  • 국제 조명 위원회
  • 모든 양의 영역에서의 가상의 주요한 색 3가지
  • Y(Luminance/명도), X and Z(Color/색상)
  • Normalization ➡ x = X/(X+Y+Z), y = Y(X+Y+Z), z = Z/(X+Y+Z)
  • Boundary : 순색(pure colors)
  • Inner area : pure color가 조합된 색
  • A - B : Complementary colors(보색 관계) ➡ 같은 양으로 섞일 때 하얀색을 만들어냄
  • 명도까지 표현 가능

Color Coverage

  • Color Film > Monitor > Color printer
  • 위 순서대로 잘 표현
  • 프린터와 모니터에서 표현될 수 있는 색은 한정되어 있음

RGB Color Model

Tri-Stimulus Theory

  • 눈의 원형 세포는 R, G, B 빛의 파장에 반응
  • 모든 색은 세 개의 빛의 요소를 조합해 만들어질 수 있다는 이론
  • 인간이 인지하는 것을 다 표현할 수는 없음
  • CIE처럼 명도를 표현할 수 없음

Additive color model (가산모델)

  • 색은 RGB 요소에 의해 조합됨
  • R+G+B = W
  • R+G = Y, G+B = C, B+R = M
  • RGB와 CMK는 보색 관계
  • 보색은 회색 컬러를 만들어냄 (명도 표현 X)

CMY Color Model

Subtraction Model (감산 모델)

  • 물체 표면이 빛으로부터 특정 색을 흡수하고 보색을 반사한다는 사실에 영감을 받은 이론
  • 색 요소(Cyan, Magenta, Yellow)를 제거함으로서 색이 만들어짐
  • ex) color printer, plotter
  • (a) W-G = R+B = M (M and G are complementary)
  • (b) W-G-R = M+C = B (R and C are Comp.)
  • (c) W-G-R-B = M+C+Y = K (B and Y are Comp.)
  • RGB로 이미지를 프린트하기 전에 CMY로 변환하는 과정이 꼭 필요
  • ex) RGB (1.0, 0.3, 0.0) = CMY(0.0, 0.7, 1.0)
  • R+G+B = White
  • C+M+Y = Black = White - (R+G+B)

CMY + K(Chromatic : gray intensity)

  • ex) (C=120, M=80, Y=200)인 이미지를 프린트할 때 K=80을 쓰면 나머지 잉크를 아낄 수 있음
  • 더 정확한 회색의 정도를 표현할 수 있음
  • 마르는 시간과 잉크를 절감할 수 있음
  • 만약 이미지를 출력할 것이라면 RGB보다 CMYK 모델을 그래픽 툴로 사용하는 것을 추천, 색상 변환 에러를 피할 수 있기 때문

HSV Color Model

  • RGB의 한계 : 직관적이지 않음

HSV(Hue, Saturation, Value) = HSB(Brightness) = HSL(Luminance)

  • Shades : 채도와 명도를 낮추기 위해 검은색을 추가
  • Tins : 채도와 명도를 높이기 위해 흰색을 추가
  • Six angle diamond shape
  • Color selection box
  • Red tone section

YUV Color Model

  • 방송용 컬러 모델(broadcasting)
  • 흑백 TV와 컬러 TV의 호환성을 위해 만들어짐
  • Y(Brightness), U, V(Hue, Saturation)
  • 더 많은 대역폭을 사람이 잘 인식하는 색상에 제공(R>G>B)
  • ex) Y = 0.213R + 0.715G + 0.072B
  • YIQ : NTSC TV standard

YUV, YIQ

RGB

Color Mode

  • 픽셀은 RGB 데이터에 의해 직접 생성
  • RGB(0 1 1) ➡ Cyan Color

Indexed Color Mode

  • 간접적인 Color Mode
  • 이미지 데이터가 CLUT(Color Look Up Table)의 인덱스 값으로 표현
  • 실제 색상은 CLUT에 의해 참조되어야 함

장점

  • 이미지 파일 사이즈를 줄일 수 있음
  • 24 비트 컬러 이미지는 index color mode가 아닐 때 3byte씩 사용
  • index color model 이미지는 한 픽셀당 3bit만 필요로 함
  • 하지만 CLUT를 파일 헤더에 포함해야 함

Color Palette

Color indexing

  • 이미지로부터 가장 자주 등장하는(빈도가 높은)색을 추출
  • 그것들에 color index를 부여
  • PNG, BMP, TGA, TIFF에서 지원

Dithering

  • 주어지는 색상을 조합해 없는 색을 만들어내는 것
  • 16M 컬러 이미지는 256 컬러 시스템에서 디더링됨
  • 빨간색과 노란색에 인접한 점은 주황색처럼 보임
  • Original(16M) ➡ Nearest color matching ➡ Dithered
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