Grafica computerizzata

Enciclopedia della Matematica (2013)

grafica computerizzata


grafica computerizzata o computer graphics, applicazione dell’informatica alla produzione e al trattamento di informazioni visuali e non testuali mediante elaboratore. Rientra nel suo ambito lo sviluppo di apparecchiature hardware e di programmi per creare, elaborare, visualizzare, memorizzare oggetti grafici, statici o in movimento, come disegni, fotografie, filmati, animazioni, chiamati anche entità grafiche. La digitalizzazione di un’immagine reale all’interno del computer corrisponde alla creazione di una griglia rettangolare, le cui unità minime di superficie sono dette pixel (dalle iniziali di picture element). Supponendo che un’immagine sia in bianco e nero, è sufficiente dare la configurazione d’insieme degli stati logici «acceso» o «spento» di ogni elemento per generare l’immagine finale come configurazione di elementi accesi (o, rispettivamente, spenti). Più in generale, l’informazione grafica è memorizzata attribuendo al singolo pixel le coordinate della sua posizione nella griglia, intesa come un riferimento assoluto, e il codice del colore. A ogni pixel si associa, quindi, una stringa di bit che contiene tutte queste informazioni; l’insieme di tutti i pixel costituisce la mappatura in bit dell’immagine, chiamata comunemente con il termine inglese bitmap. In una bitmap i byte possono definire il codice del colore del pixel in una mappa di colori predefinita, oppure intensità, tinta e saturazione (his) o ancora memorizzare i colori autentici (truecolor). Per una rappresentazione a colori di un’immagine, si usano solitamente tre byte per ciascun pixel; uno solo per la rappresentazione in scala di grigi. Una bitmap non memorizza il codice del colore per ogni singolo pixel, ma memorizza solo quando e dove il colore cambia; per questo un’immagine con pochi colori pieni richiede di solito una bitmap di dimensioni limitate. Le immagini bitmap sono costituite da un numero fisso di pixel, e la loro risoluzione dipende da quella del video: se ridimensionate sullo schermo o stampate a una risoluzione diversa rispetto a quella originaria, possono perdere dettagli.

Lo schermo di un comune monitor per il computer è una griglia di pixel: se lo schermo è del tipo 1024 × 768 esso può visualizzare 1024 pixel nella dimensione orizzontale e 768 pixel nella dimensione verticale, in totale 786.432 pixel. Tale caratteristica prende anche il nome di risoluzione grafica dello schermo: a parità di superficie visualizzata, quanto maggiore è il numero di pixel, tanto maggiore è la risoluzione dello schermo e tanto minore è l’estensione superficiale dei singoli pixel. Data l’enorme quantità di dati da gestire (per esempio, in un’animazione o in un filmato), è necessario sviluppare opportunamente gli algoritmi al fine di ottimizzare sia i tempi di calcolo sia le risorse di memoria. La memorizzazione di un’immagine in bitmap viene anche chiamata memorizzazione in modalità raster. Esempi di file di immagini rappresentate da bitmap sono le Graphics Interchange Format (gif) e le jpeg (l’acronimo proviene dal nome del gruppo che ha creato tale formato, il Joint Photographic Experts Group).

Esiste comunque anche un’altra modalità di rappresentazione delle entità grafiche, usata soprattutto nei casi in cui si voglia privilegiare l’elaborazione e la possibile trasformazione del disegno rispetto alla mera resa dell’immagine complessiva: questa modalità più raffinata è detta grafica vettoriale. In essa ogni entità è generata da funzioni matematiche che creano i singoli punti e i relativi segmenti orientati, definendone posizione, direzione, lunghezza, verso (da cui il nome vettoriale) e anche la tipologia di ogni elemento grafico, lo spessore e il colore di linee e punti. Mentre nella bitmap, tra ciascun pixel che compone l’immagine a video e i byte che la rappresentano in memoria vi è una corrispondenza biunivoca, nei file in formato vettoriale vi è solo la descrizione matematica dell’immagine memorizzata. La grafica vettoriale è usata principalmente nei sistemi cad (disegno assistito dal computer), in quanto in tali ambienti di calcolo si opera spesso attraverso trasformazioni geometriche. Per esempio, si può selezionare la singola entità e si può ruotarla, traslarla, oppure ingrandirla o rimpicciolirla attraverso una omotetia (il cosiddetto zoom) senza mutarne la forma. Proprio in relazione a queste trasformazioni, si comprende la differenza di fondo tra le modalità di funzionamento dei due tipi di grafica: una trasformazione geometrica nell’ambiente raster presuppone il caricamento nella ram di tutte le coordinate dei pixel interessati e il ricalcolo di tutte le nuove posizioni nell’immagine; in ambiente vettoriale, invece, si modificano solo i parametri delle funzioni generatrici delle entità geometriche, ottimizzando i tempi e le risorse del computer.

Per rappresentare su uno schermo a due dimensioni figure geometriche estese nello spazio è necessario usare opportuni software adatti alla grafica tridimensionale; essi, attraverso l’utilizzo di opportune proiezioni e trasformazioni geometriche, forniscono le immagini dotandole della dimensione della profondità. Le variazioni cromatiche, le sfumature, le ombreggiature, unite alle visioni prospettiche, contribuiscono alla resa finale di questo particolare aspetto della grafica. La grafica computerizzata coinvolge anche l’interazione uomo-macchina, attraverso un ambiente chiamato gui (acronimo di Graphical User Interface), che permette di interagire con il computer, invece che attraverso la scrittura di stringhe alfanumeriche di comando (tipicamente istruzioni scritte in un particolare linguaggio di programmazione), mediante la manipolazione di immagini, icone, indicatori visivi che non solo rappresentano l’informazione in sé (per esempio, le cartelle contenenti i file) ma permettono anche l’esecuzione di comandi e azioni su di essi (come «spostare» o «copiare» la cartella da una posizione a un’altra).

Le applicazioni della grafica computerizzata sono innumerevoli: dalla progettazione architettonica o meccanica (sistemi cad/cam) al trattamento di immagini in campo medico (ecografia e tomografia assiale computerizzata o tac); per esempio, nella tac, esame eseguito tramite un’apparecchiatura che emette radiazioni ionizzanti sulla parte del corpo del paziente da analizzare, l’elaboratore acquisisce in successione e in tempo reale le immagini secondo le varie direzioni e angolazioni e, come risultato di un complesso algoritmo di calcolo, fornisce l’immagine finale tridimensionale in tonalità di grigi o in appositi colori a uso della diagnostica medica. Non vanno dimenticate le modellazioni in chimica e geologia e il mondo dei media e dell’intrattenimento, dove la computer graphics ha reso possibile la realizzazione di spettacolari film di animazione interamente prodotti con l’ausilio di elaboratori o di film basati su effetti speciali digitali. In ambito artistico, l’accesso a elaborazioni digitali di immagini ha permesso lo sviluppo di nuove forme di sperimentazione artistica, come la computer art, creazione di opere con l’ausilio del computer.

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