: архив : архив журнала "625" : 1993 : #2

Видеографические системы
Виктор Быков

При подготовке и выпуске телевизионных передач всегда использовались дополнительные средства художественного оформления изображений, которые делают передачи более привлекательными для зрителей. Когда телевидение было только аналоговым, применялись обычные живописные и графические средства для создания заставок и титров. Работали со спецэффектами и рир-проекцией.

Сейчас для этих целей широко используются системы видеографики, которые расширяют творческие возможности ТВ аппаратуры и сокращают время, необходимое на подготовку и создание программ. В таких системах все процессы, связанные с формированием и обработкой изображений, происходят в цифровой форме. Аппаратные средства строятся на основе компьютера и цифровой памяти на один или несколько кадров. Художник-оператор для создания изображений использует электронный планшет с электронным карандашом и клавиатуру. Создаваемые изображения хранятся в памяти, и процесс их создания контролируется на мониторе. Для хранения этой информации используются запоминающие устройства на магнитных дисках.

Под системами видеографики в настоящее время часто понимают не только собственно системы, позволяющие рисовать живописные и графические изображения на ТВ экране, которые можно называть системами видеоживописи, но и видеографические комплексы для производства видеоэффектов, ввода титров и накопления созданных телевизионных кадров.

Видеографические системы используются на телецентрах в студиях, монтажных аппаратных, а также в самостоятельных графических комплексах. Типовая схема студии с видеографической системой представлена на рис.1. В схему включены те основные устройства, которые используются в студиях. К коммутатору (видеомикшеру) телевизионных сигналов подключаются вместе с основными источниками телевизионных сигналов и аппаратура видеографики, видеоэффектов, знакогенераторы, накопители неподвижных изображений. Коммутатор формирует выходной сигнал студии путем подключения к аппаратной распределения того или иного источника видеосигнала.

Однако полностью возможности электронной графики проявляются в монтажных аппаратных, где у режиссера и художника-оператора имеется достаточно времени для реализации своих замыслов. При работе в условиях студии чрезвычайно важна оперативность, что ограничивает творческие возможности. Схема монтажных аппаратных практически та же, что и студий, за исключением телевизионных камер, вместо которых к коммутатору подключаются видеомагнитофоны, при этом все устройства управляются контролером монтажной системы, на пульте которого имеются необходимые для этого органы.

Типичная структурная схема видеографической системы представлена на рис.2. В процессорном блоке располагается микрокомпьютер, запоминающее устройство на кадр, долговременная память на магнитных дисках и преобразователи видеосигнала из аналогового в цифровой (АЦП) и из цифрового в аналоговый (ЦАП). На АЦП поступают входные сигналы, а на ЦАП - выходные. Кроме того, в систему входит синхрогенератор, который позволяет работать в ведомом режиме от внешнего видеосигнала, и синхронизирует видеомагнитофон, который используется для записи видеосигнала, вырабатываемого системой видеографики. Именно благодаря ведомому режиму, видеографическая система может работать в составе различных телевизионных комплексов. В современных системах синхрогенератор входит в состав процессорного блока. Видеомагнитофон должен осуществлять запись не только в реальном масштабе времени, но и покадрово, поскольку в большинстве систем для формирования полного кадра требуется время большее, чем длительность одного кадра. Для управления режимами записи видеомагнитофона имеется специальное устройство управления.

Дисплей с клавиатурой позволяет управлять системой. На экран дисплея выводятся меню, дающее художнику-оператору возможность в удобной форме воспользоваться всеми свойствами системы (например, выбор нужного цвета и "кисти" для рисования, построение линий различной формы, копирование изображений, работа с различными видами анимации изображений и т.д.).

Вводимый в систему телевизионный сигнал поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму. Далее он записывается в оперативную кадровую память. Изображение, хранимое в блоке памяти, можно дорисовать или изменить в соответствии с творческим замыслом, работая через электронный планшет с электронным пером или клавиатуру дисплея. В частности можно изменить содержание изображения, цвета его деталей, размеры, сместить его относительно центра экрана и т.д. Завершенный кадр можно записать на магнитный диск или вывести на выход системы.

В основе всех видеографических систем - цифровые блоки памяти на один или несколько кадров. По принципу записи телевизионного сигнала в оперативное запоминающее устройство они делятся на две основные группы: системы с запоминанием полного цвета элементов изображения и системы с запоминанием номеров цвета. В первом случае каждый из сигналов основного цвета Red, Green и Blue кодируются восьми- или более битовым кодом и записывается в отдельном запоминающем устройстве на кадр. То есть, на каждый элемент изображения отводится 24 бита. Во втором выбирается какое-то количество цветов (например, 256), каждому цвету присваивается определенный номер (от 1 до 256) в виде восьмибитового кода. В память на кадр записываются коды этих номеров цвета элементов изображения, а не коды всех возможных цветов. После обработки изображения, записанного в память на кадр, которое осуществляет художник-оператор в соответствии со своим замыслом, коды номеров цвета считываются из памяти и преобразуются в специальном устройстве в коды сигналов RGB. Преимуществом запоминания номеров цвета является существенное сокращение объема памяти: так, для сохранения кодов полного цвета нужно три запоминающих устройства на кадр, а номеров 256 цветов достаточно только одного и при этом относительно небольшого объема. Недостатком таких систем является некоторое огрубление палитры цветов, в то время как система с полным цветом позволяет использовать всю имеющуюся палитру цветов (около 16,7 млн. цветов). Поэтому видеографические системы последних выпусков выполняются обычно с полным цветом. Однако системы с номерами цветов дешевле систем с полным цветом, иногда это решающее преимущество.

Электронный планшет выполняет как функции создания графических и живописных изображений, так и управления системой. С его помощью не только создают графику и живописные изображения, но и выбирают необходимые команды, содержащиеся в различных меню, отображаемых на экране дисплея или монитора. Электронные планшеты работают по различным принципам. Наиболее часто используются планшеты чувствительные к давлению электронного пера, которое изменяет проводимость материала, покрывающего планшет. Внутри планшета размещена матрица проводников (по одному проводнику по вертикали и горизонтали на каждый элемент изображения). Токи, вызываемые нажатием электронного пера, достигают микропроцессорного устройства, размещенного в самом планшете. Микропроцессор вычисляет точные координаты расположения пера относительно поверхности планшета и передает их в цифровой форме в центральный процессор. Другие конструкции планшета для определения координат пера используют высокочастотные электромагнитные поля или ультразвук. При взаимодействии электронного планшета и пера сигналы появляются не только на ближайшем, но и на соседних проводниках. Для выделения основного сигнала используется специальная система обработки, выделяющая самый большой сигнал, который она и направляет в центральный процессор для определения координат.

Пользователям двухмерные видеографические системы обычно обеспечивают:

• видеоживопись и графику с широкой палитрой цветов и с использованием электронного планшета, т.е. создание новых цветных изображений;
• введение в оперативное запоминающее устройство изображений от внешних источников и обработку их с использованием всех возможностей системы;
• создание титров с использованием клавиатуры дисплейного терминала и широкий выбор шрифтов;
• анимацию (оживление) различного уровня;
• большое число разнообразных "кистей" для выполнения художественных работ и графики (в частности, аэрозольные кисти, рисующие мягкие переходы цветов и краев изображения);
• смешивание цветов на экране;
• автоматическое рисование разнообразных прямых и кривых линий, кругов, эллипсов, квадратов при минимальном числе задаваемых координат;
• метод аппликаций, состоящий в выделении фрагментов различных изображений и комбинировании их в едином кадре;
• видеоэффекты (масштабирование, изменение центра изображения, его подрезание и вращение), используемые в основном как вспомогательные операции (например, увеличение масштаба для упрощения рисования; удаление ненужной части кадра и т.д.);
• использование отображаемых на экране "меню" для управления;
• собственные накопители неподвижных изображений на магнитных дисках или интерфейс связи с дополнительными внешними накопителями.

Трехмерные видеографические системы обеспечивают все перечисленное выше, кроме этого формируют объемные изображения тел и предметов с помощью ввода координат ключевых точек объектов, конструирования их "проволочных" каркасов, наложения текстуры на поверхность, создания эффекта освещения одним или несколькими источниками света в соответствии с оптическими законами отражения и преломления. Анимация изображений выполняется в трехмерном пространстве. Здесь необходимо иметь в виду, что объемный эффект в видеографических системах не бинокулярный, то есть он не достигается воздействием на каждый глаз человека отдельных световых потоков, излучаемых объектом в направлениях к каждому глазу. Он достигается изображением предмета в плоскости экрана с учетом пространственных изменений в его форме и размерах, освещением предмета от определенного источника света с соответствующим затемнением всех видимых его сторон, изменением текстуры и цвета предметов, видимых на различных расстояниях от зрителя. В результате использования этих методов плоские предметы на экране кажутся объемными.

При моделировании сложных предметов координаты их элементов вводятся в ЭВМ. Эффекты перемещения и вращения этих предметов формируются путем соответствующего пересчета координат. Возможно задание источников света в пространстве изображения, которые освещают созданные объекты.

Процесс освещения объекта - наиболее ответственный момент, от его точности существенно зависит реалистичность изображения. Используются несколько методов закраски, из которых можно выделить однотонную закраску, закраску по методу Гуро, по методу Фонга, передачу фактуры поверхности (подобно тому, как наклеиваются обои на стены), фотографическое представление изображений. При однотонной закраске поверхность объекта представляется с помощью однотонных многоугольников, что создает очень примитивное изображение предмета. По методу Гуро осуществляется интерполяция значений интенсивности освещения, вычисленных в вершинах многоугольников, из которых строится предмет. При этом изображение более реалистично, чем в предыдущем случае. Недостатком метода Гуро является эффект полосы Маха - разрыв в цвете на ребрах смежных многоугольников. Эта полоса исчезает при закрашивании с плавным изменением яркости и цветности не только вдоль ребер, но и по самой поверхности. Такой режим обеспечивается способом Фонга. Кроме того, он позволяет лучше воспроизвести эффект бликов на поверхностях. Однако для реализации способа Фонга требуется в три раза более быстродействующий процессор, чем в предыдущем случае (необходима обработка со скоростью около 100 млн. пикселов в секунду). При этом наиболее реалистично выглядящие изображения достигаются закрашиванием трассировочными (зондирующими) лучами(ray-tracing). Он включает в себя подсчет величин отражения, преломления, поглощения света разными частями предмета. На основе информации об оптических свойствах поверхностей, от которых отражается луч, и среды, через которую он прошел, определяется количество света которое может дойти до наблюдателя. Альтернативой метода трассировочных лучей является метод светоотдачи, при котором процессор начинает анализ светового луча со зрителя и идет по лучу до предмета, то есть в обратном направлении, чем при трассировке лучей. Если на поверхности предмета есть светящаяся точка, то луч рисуется, иначе он устраняется. Тем самым и определяется яркость и цветность пиксела. Метод светоотдачи упрощает расчеты и требует меньшей скорости выполнения операций.

Передача фактуры поверхности (например, мрамор, дерево, металл) способствует дальнейшему увеличению естественности предмета. Однако самое естественное изображение получается при фотографическом качестве. Оно достигается использованием методов освещения по Фонгу и светоотдачи лучей при максимальной детализации фактуры поверхностей. Однако при синтезе фотографических электронных изображений необходимо избежать видимости следов, порожденных вычислительным процессом. Программа формирования таких изображений должна выполнять следующие задачи:

• удаление скрытых поверхностей для показа в машинном изображении только видимых объектов и их частей;
• пространственную фильтрацию для сглаживания контуров изображения;
• добавление псевдослучайного сигнала для уменьшения видимости процесса квантования(antialiasing);
• временную фильтрацию с тем, чтобы происходило "смазывание" изображений движущихся объектов;
• имитацию глубины резкости с тем, чтобы резкими выглядели лишь объекты, расположенные в фокусе объектива.

Сейчас фотографическая графика доступна только пользователям дорогостоящих быстродействующих вычислительных систем.

Широкое распространение цифровая аппаратура видеографики и видеоэффектов получила для создания подвижных сюжетов. Наибольшими возможностями обладают системы видеографики, которые сочетают в себе знакогенерацию, телевизионную графику, живопись и анимацию Отдельные кадры анимации, сформированные электронным путем, фиксируются накопителем неподвижных изображений (ННИ), в которых используются запоминающие устройства (ЗУ) с магнитными дисками или видеомагнитофоном, работающем в покадровом режиме.

Под анимацией обычно понимается процесс фиксации на каком-либо носителе последовательности изображений "оживляемого" объекта с последующим ее воспроизведением со скоростью, создающей иллюзию движения. При использовании электронных видеографических средств в телевизионном вещании об анимации можно говорить как о создании подвижных изображений. При создании мультфильмов системы видеографики применяют для ускорения, удешевления и упрощения процесса производства мультфильмов. Создание подвижных изображений, используемых в ТВ передачах в виде заставок, титров, рекламы, разнообразных вставок в научно-популярных и развлекательных передачах, осуществляется значительно более оперативно, часто в реальном масштабе времени и поэтому здесь предъявляются более жесткие требования к временным характеристикам рабочего процесса.

В отличие от киномультипликации, где рисунки создаются художниками-мультипликаторами (различными методами) и фиксируются на кинопленку, в телевидении при использовании электронных средств формирования подвижных изображений исходные изображения может создавать как художник на электронном планшете, так и пакет программ компьютера. Однако мультфильмы, созданные только с помощью компьютера, "механистичны", в них слабо проявляется индивидуальность создавшего их художника. В них нет того "живого", что мы так ценим в фильмах У.Диснея, А.Татарского и многих других художников. Электронными методами пока еще нельзя получить тех "реальных" персонажей, которые созданы и живут в мультфильмах в течение уже многих десятилетий и не перестают нас восхищать. Поэтому, электронные средства формирования подвижных изображений призваны не только для того, чтобы заменить художника-мультипликатора, но и чтобы помочь ему избавиться от рутинных операций, которые он выполняет в процессе создания мультфильма (например, копирование отдельных фаз движения), оставив за ним чисто творческие функции, в которых наиболее ярко проявилась бы творческая индивидуальность того или иного мастера.

Использование электронных средств при создании мультфильмов позволяет быстро оценить качество эскизов, сделанных художником-мультипликатором. Карандашные эскизы какого-либо действия, подготовленные для мультипликации, фиксируют на видеомагнитофоне, скорость воспроизведения которого 24 кадр/с. Затем записанное изображение просматривают на экране монитора. Такую технологию применяла, например, еще в семидесятых годах компания Lyon Lamb (США). До этого времени испытания карандашных эскизов, сделанных художником-мультипликатором, вели к росту стоимости и времени производства мультфильмов. По новой технологии процесс мультипликации обычно начинался с подготовки серии рисунков (до нескольких тысяч). Затем рисунки вводили в аппаратуру электронной живописи, где они раскрашивались под управлением ЭВМ, а потом записывались в ННИ на магнитных дисках и воспроизводились с нужной скоростью. Накопители на магнитных дисках вполне обеспечивают требуемую точность записи одного кадра и имеют быстрый произвольный доступ к любому кадру.

Формирование подвижных изображений в видеографике осуществляется несколькими методами:

Анимация при помощи изменений цвета. Здесь используется способность видеографических систем формировать значительную палитру цветов и, кроме того, осуществлять быстрые изменения цвета предмета. Это позволяет создавать эффект движения. Например, если какой-то предмет на изображении окрашен одним цветом и находится на фоне другого, то, изменяя цвет предмета, можно добиться его появления или исчезновения, когда его цвет совпадает с цветом фона. Обычно в распоряжении художника широкая гамма цветов,меняя и переключая которые он может воспроизводить эффекты сложного движения предметов. Методом циклического изменения цветов , например, удается наглядно представить движение тока по проводнику или работу какого-то механизма. Возможно и плавное изменение цвета. Это позволит получить, например, эффект рассвета, когда плавно меняются цвета неба и основных предметов, находящихся в кадре, или эффект созревания фруктов, появление зеленой травы и т.д.

Анимация с использованием нескольких блоков памяти (или различных зон одного блока памяти) с приоритетом одной зоны по отношению к другой. Этот метод аналогичен целлулоидной мультипликации при создании обычных мультфильмов. Для ее осуществления система должна иметь не меньше двух запоминающих устройств на кадр изображения. В одном запоминается изображение неподвижного фона ("память фона"), а в другом, состоящем из ячеек с индивидуальным управлением, - перемещающийся на переднем плане предмет ("память переднего плана"). Например, для имитации падения яблока с яблони в "память фона" записывается изображение яблони, а в "памяти переднего плана" выделяется несколько областей по вертикали, в каждую из которых записано изображение яблока. Для создания эффекта падения яблока области последовательно электрически коммутируются и заложенная в них информация замешивается в запоминающее устройство "памяти фона".

Анимация с режимом обучения. В этом случае система последовательно запоминает все, что рисуется и раскрашивается художником на электронном планшете и воспроизводится на экране при помощи клавиатуры пульта. Когда рисунок закончен, аппаратура может воспроизвести последовательно весь процесс работы над рисунком с начала его создания.

Анимация в режиме аппликации. Она также связана с применением многих зон или слоев памяти. При этом из изображения какого-либо неподвижного кадра, записанного в оперативную память системы, можно вырезать любой участок, изменить его размер и форму, вращать и перемещать его по отношению к основному изображению. Или ввести в память новое изображение в уменьшенном виде от внешнего источника и проделать с ним те же манипуляции, причем основное изображение в этом случае может служить фоном. Например, введя рисунок белки в изображение леса и перемещая его, получим&127движение белки по лесу. Можно изменять размер белки, создавая тем самым впечатление ее удаления или приближения. После необходимых предварительных операций можно создать эффект, когда белка не только находится перед деревом, но и прячется за ним. Использование способа аппликаций дает возможность создать эффектные подвижные изображения.

Покадровая анимация. В этой системе создаются отдельные кадры будущего подвижного видеосюжета, которые затем записываются в долговременное запоминающее устройство на магнитных дисках или на видеомагнитофон. Исходные кадры могут создаваться непосредственно художником, использующим электронный планшет и перо, или формироваться специальным пакетом программ.

Все перечисленные выше способы относятся к двухмерной электронной анимации. При создании трехмерных изображений объект задается набором точек, соединяющих их кривых, текстурой на плоскостях, освещенностью от какого-либо источника света. Объект или сам может перемещаться в пространстве или камера, как бы передающая его, движется по отношению к объекту.

Анимационные метаморфозы. Форма объекта изменяется и создается новый объект. В двухмерных системах это достигается применением масок, скрывающих отдельные части объекта и тщательным рисованием, а в трехмерных - изменением расположения точек, линий и других элементов объекта. Например, постепенный плавный переход от изображения лица одного человека в лицо другого.

Анимация поведения. Этот метод позволяет оживлять группы объектов с определенным заданным "поведением" каждого объекта в группе. Художник определяет характер перемещения каждого объекта в группе по отношению к другим объектам (например, стая птиц, где каждая птица имеет свою траекторию движения).

Локальная анимация. Выбранная точка перемещается по отношению к своим соседним точкам в соответствии с замыслом художника. Другие соседние точки следуют за ней по определенному закону движения. Этот метод позволяет "оживить" поверхность объекта без перемещения самого объекта. Таким способом, например, имея только одно неподвижное изображение животного, можно создать полную иллюзию того, что животное жует или дышит. При этом движутся только части тела животного, характерные для таких действий, а все тело остается неподвижным.

Введение живого актера в анимационный сюжет. При этом актер может представляться не только в естественном виде. Специальная цифровая обработка позволяет сделать его изображение похожим на мультипликационные персонажи.

Для целей анимации могут эффективно использоваться многие видеографические системы. Например, Paintbox удобен при формировании многокрасочных изображений с помощью электронного планшета и пера и обладает рядом возможностей для создания подвижных двухмерных(2D) изображений. Особенно эффективно применение системы совместно с видеомагнитофоном, обеспечивающим покадровую запись. При этом она обеспечивает создание и преобразование изображений, введение их в накопитель неподвижных изображений и запись в покадровом режиме для последующего воспроизведения. Изображения, создаваемые на этом комплексе, конечно далеки от диснеевских, но они незаменимы при создании многих научно-популярных передач, когда возникает необходимость показать подвижные диаграммы, карты, принцип действия различных механизмов и т.д.

Однако наибольшие возможности для анимации имеют видеографические системы, которые позволяют формировать трехмерные(3D) объекты и осуществлять их перемещение в трехмерном пространстве. Их работа основана на формировании и преобразовании не самих объектов, изображения которых сформированы ТВ методом, а их моделей. Эффект анимации здесь создается как программированием движения моделей предметов, так и методами видеоэффектов, которые могут существенно упростить и ускорить процессы создания анимационных сюжетов. Созданный художником-оператором предмет может перемещаться по любой пространственной траектории, вращаться или деформироваться по любому заданному направлению, в том числе подвижному. Все эти операции выполняются в реальном масштабе времени перемещением координатного манипулятора. Использование этих особенностей совместно с моделированием предметов и программированием их движения наряду с живописными средствами, обеспечиваемыми системой, позволяет создавать сложные мультипликационные сюжеты.

Эффектной возможностью трехмерных систем видеографики является создание сложных подвижных изображений с помощью метода покадровой разбивки фаз движения движущегося объекта. Последовательность создания анимационного сюжета при этом обычно имеет следующий вид. Составляется сценарий будущего фильма. По этому сценарию выделяются объекты, которые должны моделироваться (например, самолет, здание). В процессор вводится информация о каждом объекте с учетом его расположения в трехмерном пространстве. При этом сложные объекты представляются состоящими из нескольких поверхностей. Каждая из них в свою очередь разбивается на ряд простых поверхностей, форма которых легко описывается математическими уравнениями для многоугольников. Расположение этих многоугольников в трехмерном пространстве определяется координатами их вершин. Такое представление предметов позволяет выполнять операции вращения, изменения размеров и другие преобразования при помощи математических операций над координатами вершин каждого из многоугольников, составляющих объект.

По введенным в ЭВМ координатам вершин она автоматически чертит "проволочное" изображение объекта. На следующем этапе художник-оператор в диалоговом режиме с машиной получает реальное изображение объекта, сглаживает поверхности, задает их текстуру, прозрачность, преломляющую или отражающую способность и степень их освещенности. При перемещении объекта ЭВМ автоматически пересчитывает координаты вершин многоугольников и все особенности поверхностей исходной модели объекта. Затем задаются габариты и местоположение предмета в какие-то моменты времени (например, через 1,3,5 с). И далее по команде начинается процесс движения предмета от начального кадра к последующим. Система сама формирует промежуточные фазы движения объекта. В дальнейшем объекты компонуются в кадре и к ним добавляются фоновые изображения.

С помощью подобных систем возможно создание и таких сложных сюжетов как путешествие по городу, например на автомашине, при этом воспроизводится реалистичное изображение проносящихся мимо зданий, которые вы видите объемными. Можно как бы заглянуть и внутрь здания, пройтись по его комнатам. Формирование одного кадра занимает у современной видеографической системы от нескольких минут до нескольких часов. Это время зависит от композиционной сложности кадра, необходимости применения таких эффектов как тени, прозрачность, отражения.

Теперь перейдем к рассмотрению конкретных систем видеографики, которые выпускаются в мире. В таблицах 1 и 2 представлены основные типы видеографических трехмерных и двухмерных систем для телевизионного вещания последних лет выпуска. Необходимо отметить, что все известные в мире фирмы (IBM, Apple, Hewlett-Packard), выпускающие компьютеры, работают над программным обеспечением видеоживописи и графики для своих персональных компьютеров. Эти программы предназначены для широкого круга пользователей и, как правило, требуют знания и использования в той или иной степени программирования. Для художника, привыкшего работать с карандашом и красками, такие условия работы оказываются неестественными. Поэтому в специализированных видеографических системах, приведенных в таблицах, значительное внимание уделено созданию интерфейса для общения оператора и машины, максимально приближенного к естественным условиям работы художника.

Cистема трехмерной графики на базе Indigo фирмы Silicon Graphics, являющаяся развитием системы Silicon Graphic Workstation, обеспечивает построение объектов в трехмерном пространстве и их "оживление". На ней возможно создание и воспроизведение видеоклипов со звуковым сопровождением и с записью на видеомагнитофон. Наибольшие возможности система обеспечивает с модулем Iris, который выпускается в виде нескольких разновидностей. Каждый из них обладает своими особенностями: повышенными графическими возможностями, разрешающей способностью, качественным формированием надписей, формированием трехмерных изображений.

Одной из систем трехмерной видеографики, выпущенных недавно, является Rodin компании Spaceward, которая воплотила в себе достоинства ранее разработанных этой компанией систем двухмерной графики Supernova и Matisse. Rodin обеспечивает трехмерное моделирование объектов и их анимацию. Возможны анимационные преобразования (метаморфозы) из одного двухмерного изображения в другое. Титры формируются с объемными буквами с их анимацией и освещением от нескольких источников света. Система выводит на экран монитора подробные меню и удобна для работы художника.

Таблица 1. Системы трехмерной графики.

Название системы	Фирма, страна	Примечания
Alias 2 (модификация Alias 1)	Alias Research, США.	Использует векторный способ рисования объемных объектов.
Silver Production Workstation	3M, США	Имеет модульную конструкцию.
Video Production Workstation	Pinnacle, США	Имеет модульную конструкцию.
Iris Indigo	Silicon Graphics, США
Rodin	Spaceward, США.	Ранее выпускались системы двухмерной графики Supernova и Matisse.
XL1200	Simbolics, США	Законченная система 2/3-мерной графики
Diva	Rank Cintel, Англия	Используется векторный принцип рисования; приспособлена для записи мультипликации на кинопленку.
Image Plus	Microtime, США	Выпуск 1990г. Система основана на IBM PC
Amiga	Commodore, США	Получила широкое распространение в студиях кабельного телевидения.
System G	Sony Broadcast and Communications	Для рисования и моделирования использует мышь и координатный шар.
DP 4:2:2	Dynatech Colographics, США

Гибридная система 2/3-мерной графики XL1200 фирмы Simbolics

Таблица 2. Системы двухмерной графики.

Тип системы	Фирма,страна	Примечания
Paintbox серия V	Quantel, Англия	Имеет наибольшее распространение в вещательных студиях.
Paintbox Junior	Quantel, Англия	Удешевленный вариант Paintbox.
Paintbox HD	Quantel, Англия	Система для ТВЧ, работает по стандарту 1250/50.
Harriet	Quantel, Англия	Имеет расширенные функции для создания мультипликации.
Matisse	Spaceward, Англия	Имеет элементы трехмерной графики.
Minimat	Spaceward, Англия	упрощенный вариант Matisse
Aurora 280	Aurora Systems, США	Модификация системы Aurora 250
Power Station	Aston, Англия	Имеются трехмерные видеоэффекты; базируется на IBM PC 386.
Venice Line	Getris Images, Франция.
Eclipse Line	Getris Images, Франция	Имеют модульную конструкцию и программа для трехмерного моделирования.
Quanta Paint	Quanta, США	Имеет элементы моделирования объемных тел.
Chameleon	Chyron, США	Может стыковаться со знакогенераторами Chyron.
Matrox Studio	Matrox Electronics Systems, Канада	Система для монтажа на базе IBM PC.
Composium	Digital F/X, США.
Image Plus	Microtime, США.
PICASSO	Unitel, Франция.
Maxipaint	Thomson Video Equip., Франция.

В конце восьмидесятых годов стали выдвигаться на первый план такие американские фирмы как Alias, Wavefront, Vеrtigo, которые до этого не были ведущими в области видеографики. Их системы быстро заменили FGS-4000 в независимых студиях. Они близки по функциональным возможностям и стоимости. Среди присущих им функций, все основные: сглаженное затенение поверхностей, отражающие поверхности, проекция текстуры, программируемые источники света. В них присутствуют все любимые художниками телевидения методы представления изображений: блестящие металлические поверхности, мраморный фон, красивые буквы и знаки с любыми цветами и степенью прозрачности.

Однако они оказались проще аналогов в использовании и потому больше подходят художникам. Вместо работы с многоугольниками и цифровыми координатами, с которыми приходилось работать в других трехмерных видеографических системах, они позволяют просто формировать на экране объекты при помощи электронного пера или другого подобного ему устройства. Затем одной командой можно заполнить пространственную форму проволочным каркасом или твердой объемной формой. При таком способе изображение накапливается в векторной форме, то есть каждый объект, линия и элемент определяются и запоминаются в памяти математически и он может быть видоизменен или перемещен в пространстве независимо от других элементов. Это создает широкие возможности для создания подвижных изображений.

Новаторской функцией этих систем стала и "парящая камера", которая позволяет видеть объект под разными углами и тщательно его осматривать.

Другое преимущество нового оборудования состоит в ускорении процесса формирования изображений. Примером таких систем является Dynamic Imaging System фирмы Wavefront и Alias 2 фирмы Alias Research. Первая включает в себя аппаратуру видеографики с электронным планшетом для рисования, управляющее устройство для записи на видеомагнитофон отдельных кадров и процессор Pixar Image Computer, используемый для воспроизведения изображений. Этот процессор рассчитан на очень быстрые вычисления при обработке элементов изображения. Выбранная архитектура с восемью отдельными субпроцессорами, а также сочетание программных средств с аппаратными средствами обработки изображений позволили получить при относительно невысокой стоимости системы высокое быстродействие (320 млн. команд/с) и великолепную разрешающую способность.

Pixar также входит в состав аппаратуры видеографики Alias 2, благодаря чему художник может воспроизводить до шести секунд видеосюжета в полной гамме цветов и реальном времени. Pixar увеличивает скорость формирования графики на порядок, сокращая время производства анимации с дней до часов. Ускоритель формирования изображений, сокращающий время обработки в два раза, предлагает и фирма Vertigo.

Прогрессивный векторный метод рисования использован и в системе Diva (фирмы Rank Cintel), что предоставляет художнику эффективный инструмент для создания мультипликации. Diva может создавать промежуточные кадры по ключевым. Одна из ее модификаций имеет оперативное запоминающее устройство на шесть секунд записи подвижных изображений. Система обеспечивает высокое разрешение, необходимое для записи анимации на кинопленку.

Мощную видеографическую систему Silicon Graphic Workstation разработала компания Silicon Graphic (США). Пакет ее программ называется Iris Graphic Workstation. Он обеспечивает генерацию различных геометрических трехмерных форм и их преобразование, которое может выполняться как видеоэффектами, так и математическими преобразованиями в процессоре. Для анимации трехмерных объектов используется система Silicon Graphic Powervision на суперкомпьютере 4D/210 VGX, имеющая высокое быстродействие. Этот компьютер выполняет 160 млн. команд/с, обеспечивая формирование до 1 млн. треугольников/с с устранением зубчатости наклонных линий. Для сравнения можно сказать, что система Turbo SRX, предназначенная для построения изображений объектов фотографического качества с методом светоотдачи, использует процессор производительностью лишь 14 млн команд/с.

Транснациональная компания Softimage не разрабатывает аппаратуру, но распространяет во всем мире лучшие программы для видеографических систем на платформе Silicon Graphic. Eddie, Liberty и Painterly Effects - пакеты программ к Digital Studio. Eddie - это программа для живописи, метаморфических преобразований и визуальных эффектов (разнообразные виды общего и зонального микширования, рир-проекция, перекрашивание изображений и др.). Liberty - для живописи, анимации и визуальных эффектов. Painterly Effects - для различных живописных эффектов, позволяющая, в частности, представлять ТВ изображения в различных техниках живописи и рисунка. Программы Archianimation - для архитектурного моделирования и анимации. Воспользовавшись ими, вы можете посмотреть на здание в любом ракурсе и походить по его помещениям еще до постройки этого здания.

Системы видеографики, позволяющие создавать трехмерные предметы с их анимацией, более сложны при освоении художниками и имеют высокую стоимость. Поэтому выпускаются и системы двухмерной графики, которых сейчас насчитывается около двух десятков. Основные из них представлены в таблице 2. Широкое распространение получила английская система Paintbox фирмы Quantel. Она относительно проста в управлении, имеет все описанные выше режимы работы видеографических систем (кроме создания трехмерных изображений), а также накопитель неподвижных изображений на магнитных дисках емкостью на сотни ТВ кадров. Содержание накопителя может отображаться на экране или отдельными кадрами, или сразу по 12 кадров для предварительного просмотра. Кадры можно вызывать по их номерам или названиям. Paintbox широко используется для создания анимации совместно с ННИ, и видеомагнитофоном, позволяющим записывать отдельные видеокадры. При этом изображение создается в видеографической системе с использованием ННИ и затем записывается на видеомагнитофон.

Видеографические системы фирмы Quantel.
Имеют наибольшее распространение в видеостудиях

Три года назад фирма выпустила модифицированную видеографическую систему Paintbox, которая более компактна, многофункциональна и обладает более высоким быстродействием. В другом варианте - Paintbox Junior сохранены все основные возможности Paintbox, включая и высокое качество, но значительно снижена цена. Для упрощения взаимодействия различного типа оборудования компания выпускает интерфейс Pictureport. Он обеспечивает обмен изображениями в цифровой форме между системами Paintbox, накопителем неподвижных изображений Picturebox и различными графическими компьютерными системами (в том числе трехмерными). Работает фирма и над телевидением высокой четкости. Система Paintbox HD функционирует по стандарту 1250/50, а по своим функциональным возможностям равноценна Paintbox. В последние годы компания Quantel представила новую серию V аппаратуры Paintbox. V-серия PaintBox более быстродействующая, малогабаритная и имеет модульную конструкцию. Пользователь может приобрести основной блок VR для живописно-художественных работ и ретуширования, а затем по мере необходимости дополнить его накопителем видеокадров VI, блоком для мультипликации VA и блоком видеоэффектов VE.

В 1990 г. фирма разработала видеографическое оборудование Harriet - систему динамической графики. В ее состав входит процессор, клавиатура, электронный планшет и пульт с клавиатурой. Harriet имеет все функции Paintbox и накопителя неподвижных изображений с объемом памяти до 1,2 Гбит, позволяет рисовать изображения с помощью электронного планшета, управлять работой видеомагнитофона, создавать изображения с эффектом перспективы. Harriet имеет большой успех на студиях и телецентрах.

К одной из последних разработок фирмы Quantel относится система монтажа изображений Henry и систему комбинирования изображений Hal. Henry объединила в себе достоинства ранее разработанных устройств с наиболее совершенной цифровой техникой монтажа изображений. Она позволяет одновременно работать с пятью планами и воспроизводить до пяти минут "живого" изображения, записанного в памяти на магнитном диске. Система Hal отличается от Henry тем, что предназначена в основном для построения изображений. Обе системы имеют все функции видеоживописи и многие видеоэффекты. Изображение может сопровождаться высококачественным звуком.

Таким образом, фирмой Quantel создан комплекс оборудования для художественного оформления телевизионных передач. Разнообразный набор технических средств обеспечивает гибкость в построении комплексов для получения необходимых графических, анимационных и монтажных возможностей.

Компания Getris Images разработала две линейки графического оборудования Venice и Eclipse. Вторая отличается меньшей стоимостью и, соответственно, несколько меньшими функциональными возможностями. Venice включает в себя модули для живописи, двухмерной анимации и построения изображений, трехмерного моделирования, для цифровой обработки изображений и зонального микширования (вытеснение различными шторками). Для записи видеокадров используется дисковый видеомагнитофон Aramis c максимальной длительностью записи около десяти секунд. Из модулей Venice набираются студии различных возможностей. Специальный модуль Ethernet позволяет объединить в единой локальной сети все модули и устройства студии. Из всех модулей можно выделить модуль для работы в студии новостей, в котором созданы условия для оперативной работы художника-оператора при проведении "живых" передач.

Интересным примером построения видеографического оборудования для вещания является накопитель Gallery 2000 фирмы Rank Cintel. В этом накопителе кроме большой библиотеки видеокадров, которая может наращиваться до полумиллиона, имеется возможность осуществления видеоэффектов и видеоживописи. Оператор с пульта управления может масштабировать изображения, подрезать и перемещать его по экрану, получать зеркальное изображение, вращать вокруг вертикальной оси. Блок видеоживописи с электронным планшетом позволяет оператору рисовать цветные изображения и изменять уже готовые видеокадры с использованием широкой палитры цветов. Таким образом, ННИ Gallery 2000 является универсальной аппаратурой видеографики, в которой воплощено стремление максимального использования возможностей оборудования такого типа.

Совершенную модульную систему видеографики создала фирма Dubner Computer System. Она включает в себя знакогенератор, систему видеоживописи, ННИ и систему трехмерной мультипликации. Модульная конструкция оборудования позволяет формировать из отдельных блоков систему с нужными возможностями. Первый вариант построения системы GF-30 представляет собой двухканальный знакогенератор, которым могут одновременно пользоваться сразу два оператора. Знакогенератор обладает большими графическими и анимационными возможностями. Второй вариант GF-40 - двухканальная система видеоживописи с электронным планшетом и карандашом, чувствительным к давлению. Сюда входят также кадровый блок памяти изображения, знакогенератор. Возможности анимации такие же, как и в GF-30. В моделях GF-35, 45 и 55 добавляется двухканальный накопитель неподвижных изображений на магнитных дисках с объемом памяти 300 кадров. Модель GF-50 расширена до возможностей трехмерного моделирования, воспроизведения и анимации. Блок моделирования создает, накапливает и позволяет монтировать изображения трехмерных объектов. Блок мультипликации располагает эти объекты на экране и "оживляет" их.

Оригинальное оборудование для формирования графических изображений Matrox Studio продемонстрировала канадская компания Matrox Electronic Systems. Оно построено на основе компьютера IBM PC с шиной EISA и состоит из цифрового коммутатора на 8 входов, процессора для цифровой обработки видеосигналов, двух построителей ТВ изображений, каждый из которых имеет пять планов, три канала двухмерных видеоэффектов и рир-проекцию. Оборудование позволяет создавать сложные многоплановые изображения с видеоэффектами. Особенностью Matrox Studio является использование наряду с обычными меню также и меню, полностью повторяющими внешний вид панели управления того устройства, с которым в данный момент осуществляется работа (например, панель управления видеомагнитофона). Кстати, этой же фирмой разработана плата для компьютеров IBM PC, формирующая графику, титры с их анимацией, видеоэффекты, обеспечивающая рир-проекцию и спецэффекты. Эта плата может с успехом применяться в небольших студиях.

Развитие видеографических систем привело к появлению графических комплексов, включающих в себя аппаратуру видеоживописи, видеоэффектов, накопители стоп-кадров и знакогенераторы. Они обеспечивают исключительно эффективные возможности для художественного оформления телевизионных передач. Основная сложность при создании такого комплекса заключается в стыковке оборудования, которая должна быть преимущественно цифровой (без преобразования в аналоговую форму и кодирования - декодирования в один из стандартов цветного телевидения). Это вызвано тем, что изображение, которое режиссер хочет использовать в передаче, может многократно передаваться из одного вида оборудования в другое для его окончательного оформления. Если при этом осуществляется перекодирование видеосигнала этого изображения, то оно в той или иной степени теряет свое качество.

Американская компания АВС разработала многофункциональный графический комплекс для проведения передач об Олимпийских играх Конструкция комплекса - модульная, при которой оборудование со шкафами располагается в центральном помещении. Рабочие места операторов (до 38) с интерфейсами управления размещаются в других, меньших помещениях. Соединения между ними - кабельные. Все соединения осуществляются двумя коммутаторами. Один коммутирует сигналы NTSC, второй - RGB с силуэтными сигналами. В комплекс входит несколько систем двухмерной и трехмерной графики и видеоэффектов, знакогенераторы, дисковый видеомагнитофон. Комплекс позволяет художникам и операторам работать как отдельно, так и совместно над созданием мультипликационных сюжетов, сложных видеокадров и над моделированием ландшафта. Любой графический генератор комплекса может управляться каждым оператором.

Другой мощный комплекс создан в Мадриде компанией Telson для Олимпийских игр 1992 года. После создания, его студия Telson стала передовой вещательной организацией в Европе. В его состав входит аппаратура двухмерной и трехмерной видеографики, трехмерных видеоэффектов, накопители видеокадров на магнитных дисках и ленте, знакогенератор и титровая камера. Все эти устройства соединяются в цифровом виде и располагаются в нескольких аппаратных. Комплекс имеет широчайшие возможности. Аппаратура видеоэффектов может быть использована дистанционно из различных помещений. Титры с титровой камеры могут вводиться в цифровой видеосигнал или в ННИ для монтажа. Они могут быть преобразованы также в знакогенераторе и представлены другими более сложными шрифтами. Все аппаратные соединены через коммутатор и из любой аппаратной можно управлять всеми видеосигналами в комплексе. Этим обеспечивается оперативная автономность и одновременно гибкость системы.

Проводятся работы по созданию видеографических систем и в нашей стране. Разработана и находится в эксплуатации на телецентре в Москве система двухмерной видеографики Гамма 4.2 и ее следующий вариант Гамма Т. Она позволяет выполнять все основные графические операции, включая рисование изображений в цвете, автоматическое черчение линий, дуг, кругов, эллипсов, многоугольников с заданными координатами. Линии могут быть сплошными, штриховыми, пунктирными, штрих-пунктирными. Раскрашивание - 256 цветами с их выбором из всей возможной палитры 16 млн. цветов. Осуществляется заливка изображения цветом по контуру. Возможно масштабирование изображения, перемещение его в любом направлении с заданным шагом, перезапись частей изображения в новое положение на экране с заданными параметрами и многие другие режимы. Графические изображения сопровождаются титрами, формируемыми внутренним знакогенератором. В Гамма 4.2 рисование осуществляется координатным шаром, а в Гамма Т - на электронном планшете. В настоящее время ведутся работы по расширению функций системы, которая будет формировать трехмерную графику с ее анимацией.

Подводя итоги обзора видеографических систем, можно сделать вывод о высоких темпах развития электронной графики. Отдельные видеографические системы совершенствуются в области расширения своих возможностей, в скорости формирования изображений, в приближении методов работы художника-оператора к работе обычного художника-оформителя. Перечислим, какими дополнительными требованиями должна обладать совершенная видеографическая система:

• создание трехмерных изображений с широкими функциями анимации, включая и подвижные изображения в трехмерном пространстве;
• максимальная скорость формирования машинных видеографических изображений;
• максимальное число цветов, которое художник может одновременно использовать для создания изображений на экране;
• многоплановость воспроизведения с раздельным управлением передним и задним планами;
• использование алгоритмов расчета прохождения световых лучей в изображении с учетом всех отражений и преломлений;
• эффективные средства борьбы с зубчатостью наклонных линий;
• разрешающая способность - по крайней мере 1000 строк;
• возможность запоминания в оперативной памяти нескольких внешних видеокадров для их взаимного монтажа;
• наличие большой библиотеки видеокадров с быстрым доступом к каждому из них и возможностью воспроизведения последовательностей этих видеокадров в реальном времени для обеспечения покадровой мультипликации;
• получение твердой копии изображения на бумаге или в виде слайдов на выходе системы видеографики;
• использование интерфейса человек-машина, обеспечивающего максимальное приближение условий управления системой к условиям работы обычного художника (в частности, приближение процесса создания художником-оператором объемных предметов с текстурой на их поверхности к обычному художественному процессу).

Пользователями видеографических систем высказывается также мнение о необходимости снижения стоимости систем, увеличения возможностей программирования различных операций в системе и рационализация "меню", позволяющей упростить работу с аппаратурой и расширить ее возможности.

Важнейшей тенденцией в телевизионной графике является создание видеографических комплексов, в состав которых входит цифровая аппаратура видеоживописи, видеоэффектов, накопители видеокадров, знакогенераторы. Они предоставляют наиболее широкие возможности для художественного оформления телевизионных передач и по мере их совершенствования станут ядром цифровых телевизионных студий и телецентров.

Особенно следует выделить функцию анимации, которая в данном случае понимается как создание любых подвижных изображений на телевизионном экране. Это одна из тех функций, которая принципиально отличает электронную графику от традиционной графики и живописи, выполняемых карандашами и красками. Она позволяет, например, создать на экране объемное изображение предмета и осуществить его перемещение в трехмерном пространстве. При этом можно увидеть заднюю сторону предмета или даже заглянуть внутрь. В обычной графике это возможно только в результате кропотливой и трудоемкой работы, выполняемой традиционными средствами мультипликации. Электронная графика позволяет сделать это в реальном времени аппаратными или программными средствами. Поэтому развитию анимации в видеографических системах следует уделять особое внимание.

Рассмотренные выше проблемы электронной графики для телевидения отражают большую сложность комплексной оценки конкретной видеографической системы. В этой связи в заключение полезно сформулировать основные критерии для такой оценки с точки зрения пользователя (художника-оператора):

1. Простота использования. Удобна ли система для пользователя и может ли ее эффективно использовать творческий персонал?
2. Управление посредством меню. Как отображается меню; какие возможности оно дает оператору; воспроизводится ли меню на отдельном мониторе, в цвете, с удобно расположенной информацией или оно располагается на экране вместе с изображением?
3. Цвета, имеющиеся в распоряжении. Сколько цветов могут быть использованы в одно и то же время и сколько всего цветов и оттенков имеется в системе для использования?
4. Изменение цветов. Могут ли смешиваться цвета и ограничен ли художник выбором фиксированной гаммы цветов?
5. Формы кистей. Сколько форм кистей обеспечивается системой и возможно ли создавать новые формы кистей?
6. Аэрозольная кисть. Имеется ли такая кисть для создания цветовых переходов и теней?
7. Монтаж изображений. Возможно ли изменение изображений, взятых от внешних источников или из внутреннего накопителя неподвижных изображений, всеми средствами системы? Предусмотрен ли метод "клея и ножниц" для монтажа изображений и могут ли отдельные зоны изображения перемещаться в плоскости экрана?
8. Тени и другие краевые эффекты. Создаются художником или вводятся автоматически?
9. Качество изображения. Хорошо ли воспринимается визуально контур формируемых изображений; соответствует ли резкость изображения возможностям кинескопа видеомонитора; соответствие качества изображений, создаваемых системой и введенных в нее внешних изображений, тому стандарту цветного телевидения, в котором вы работаете (PAL, SECAM)?
10. Средства устранения зубчатости формируемых наклонных линий и муара. Величина визуальной разрешающей способности системы; эффективность средств устранения зубчатости наклонных линий и муара.
11. Масштабирование изображений. Возможность увеличения размеров изображения или любой его части для облегчения прорисовки мелких деталей.
12. Планы изображения. Наличие передних и задних планов изображения управляемых раздельно и число этих планов.
13. Формирование трехмерных объектов. Имеет ли оператор доступ через меню к геометрическим формам для ускорения создания объектов; удобство интерфейса при формировании сложных изображений?
14. Создание подвижных изображений и анимация. Способы анимации изображений, которые обеспечивает система; возможность анимации изображений в реальном масштабе времени.
15. Покадровая запись на видеомагнитофон и управление им.
16. Создание надписей на экране. Сколькими шрифтами возможно создание надписей и наличие основных атрибутов знакогенерации (изменение размеров, раскрашивание, тени и др.); возможно ли создание новых шрифтов?
17. Объем памяти накопителя неподвижных изображений. Жесткие или гибкие магнитные диски используются в накопителе.
18. Электронный планшет. Чувствительность электронного пера к давлению и его связь (проводная или беспроводная) с планшетом?
19. Обеспечивает ли система входы и выходы сигналов в стандартах, в которых будет осуществляться работа?

Оптимальный выбор системы видеографики для студии или телецентра позволит при минимальных затратах получить эффективный инструмент для художественного оформления телевизионных передач.