Фрактальная графика
Растровая графика
Векторная графика
Фрактальная графика
Практически с самого момента появления компьютеров появилась компьютерная графика — специальная область информатики, изучающая методы и средства создания, обработки и использования электронных изображений с помощью аппаратно-программных и телекоммуникационных средств [20].
Компьютерная графика — автоматизация процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера [38].
Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения. Интерактивная компьютерная графика — это также использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т. е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени [45].
Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.
Компьютерная графика имеет дело с изображениями. Ее основное назначение визуализация построение изображения графического объекта. Изображение строится на основе прикладной модели, являющейся внутренним (программным) представлением графического объекта, задаваемого в пространстве той или иной размерности. Другими видами обработки графической информации являются преобразование изображений и распознавание изображений.
В зависимости от области применения к визуализации предъявляются различные требования: скорость построения, качество изображения, реалистичность, эстетические характеристики, достоверность и другие, которые должны учитываться графической программой.
Компьютерная графика в настоящее время сформировалась как наука об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Компьютерная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности и восприятия, передачи информации.
В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:
1) представление изображения в компьютерной графике;
2) подготовка изображения к визуализации;
3) создание изображения;
4) осуществление действий с изображением.
Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Компьютерная графика является одним из популярных направлений использования персонального компьютера. В настоящее время можно сказать, что нет ни одной сферы деятельности человека, где бы она ни применялась.
Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт. При проектировании с помощью графики можно точнее и красочнее передать изображение любого ландшафтного объекта и ландшафта в целом и качественнее и быстрее оформить схемы и чертежи проектных документов. Трехмерная графика позволяет смоделировать архитектурный объект и позволяет оценить его достоинства более объективно, чем это, возможно, сделать на основе чертежей или макетов. Виртуальная реальность находит свою нишу в индустрии развлечений и видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. Практически ни одно производство не обходится без компьютерной графики. Такая отрасль как космическая, пользуется компьютерной графикой с самого ее появления, особенно с приходом автоматических пилотируемых аппаратов. Еще одним направлением современной компьютерной графики стал web-дизайн [34].
Таким образом, можно выделить следующие основные области применения компьютерной графики:
• компьютерное моделирование;
• проектирование с использованием САПР;
• дизайн сайтов в сети Internet;
• мультимедиа презентации, видео- и киноиндустрия;
• обучающие программы;
• дизайн и реклама;
• компьютерные игры.
С технической стороны при создании и хранении электронного графического изображения в любой форме требуются значительные объемы памяти компьютера по сравнению с использованием простого текста. Это обстоятельство необходимо учитывать при применении сетевых технологий, для того чтобы избежать перегрузки каналов связи, которые возникают в ходе пересылки файлов с изображениями.
По принципам формирования изображения компьютерная графика делится на три вида, при этом цифровой объект может быть представлен в растровой (точечной), векторной (контурной) или фрактальной формах, причем в двухмерной (2D) или трехмерной (3D) проекции (рис. 3.1).
Рисунок 3.1.Компьютерная графика
Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических явлений. В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:
■ спроектировать и создать виртуальный каркас («скелет») объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;
■ спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;
■ присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне — «спроектировать текстуры на объект»);
■ настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, — задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;
■ задать траектории движения объектов;
■ рассчитать результирующую последовательность кадров;
■ наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.
Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности.
Основное преимущество растровой графики — это возможность создать практически любой рисунок высокого качества любой сложности, с различными цветовыми переходами и элементами [7]. Растровая графика легко воспринимается графическими программами. Широкая распространенность благодаря Интернету и цифровой фотографии. Недостаток: большой объем файла и невозможность изменения размера без нежелательных «эффектов» с потерей качества изображения.
Основные достоинства векторной графики: возможность любого масштабирования, трансформации объектов, изображение остается ярким и контрастным и его качества не ухудшится, но в нем трудно достичь высокого художественного качества. Параметры объектов хранятся и могут быть изменены, при этом размеры обычно указаны в аппаратно-независимых единицах. Основной (и неустранимый) недостаток: не каждый объект может быть представлен в векторной графике. А для получения реального рисунка необходимы значительные информационные и вычислительные ресурсы.
Электронные изображения, представленные во фрактальной форме, можно отнести к разновидности векторной графики, но с более сложными процедурами программирования.
Таким образом, выбор растрового, векторного или фрактального формата зависит от целей и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность цветопередачи, то предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления удобнее представлять в векторном формате.
3.1. Растровая графика
Принцип точечной, или растровой, графики был изобретен и использовался людьми за много веков до появления компьютеров. Это рисование «по клеточкам» способ переноса изображения с подготовленного картона на стену, предназначенную для фрески, и такие направления искусства, как мозаика, витражи, вышивка. В любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов (рис.3.2).
Рисунок 3.2. Растровая графика
Растровая, или точечная, графика для представления изображений исторически стала применяться намного раньше векторной [51]. Компьютерное растровое изображение имеет вид прямоугольной матрицы (рис. 3.3), каждым элементом которой является цветная точка (пиксель). Сама сетка получила название растровой карты (bitmap). Каждый пиксель формально независим от соседних пикселей, т. е. может иметь собственные характеристики: яркость, цветовой тон, насыщенность цвета и т. п. Растровая карта представляет собой набор троек чисел: две координаты пикселя на плоскости и его цвет.
Рисунок 3.3. Растровая матрица
Растр (raster) — форма цифрового представления изображений в виде прямоугольной матрицы элементов изображения (пикселов) [51].
Растровое изображение — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или точек цветов (на практике прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах, и материалах [40].
Растровое представление (bitmap) — описание графического изображения при помощи массива пикселов [40].
Пиксель (pixel) — минимальный элемент растрового изображения. Слово пиксель происходит от объединения двух английских слов: picture и element — pixel (элемент рисунка) [51].
Важными характеристиками изображения являются:
• количество пикселей, число которых определяется разрешением, измеряемым обычно в точках на дюйм (dpi) или на сантиметр (dpc). Чем выше разрешение, тем точнее будет воспроизведено изображение, его цветовые переходы и оттенки;
• количество используемых цветов или глубина цвета, т. е. число разрядов, отводимых для хранения информации о трех составляющих (если это цветная картинка) или одной составляющей (для полутонового не цветного изображения);
• цветовое пространство (цветовая модель).
Любое растровое изображение вне зависимости от его сложности — это всего лишь совокупность пикселей. Пиксели располагаются в виде строк и столбцов и имеют одинаковые ширину и высоту. Растровое изображение хранится в памяти компьютера как серия значений номеров пикселей, которые запоминаются слева направо последовательно по строкам изображения (подобно таблице). Поскольку пиксели имеют очень маленький размер, то такая мозаика сливается в единое целое и при хорошем качестве изображения (высокой разрешающей способности), человеческий глаз не видит «пикселизацию» изображения.
В цифровом мире компьютерных изображений термином «пиксель» обозначают несколько разных понятий [35]. Это может быть отдельная точка экрана компьютера, отдельная точка, напечатанная на лазерном принтере или отдельный элемент растрового изображения. Для избегания путаницы на практике обычно используют понятие «пиксель» применительно к растровому изображению, «видеопиксель» — к изображению на экране монитора, а точка рассматривается как отдельная точка, создаваемая печатающим устройством (принтером, графопостроителем (плоттером), фотонаборным автоматом и т. п.).
Пиксели, из которых состоят точечные изображения, имеют фиксированный размер. Поэтому при попытке изменить размер рисунка качество полученного результата ухудшается. Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. Тип сжатия определяет возможность или невозможность восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия. При увеличении растрового изображения происходит следующее. Компьютер «растягивает» изображение, таким образом размер матрицы становится больше. Затем вычисляет новые пиксели и окрашивает их в «средние» цвета между «старыми» пикселями, что приводит к ухудшению резкости и яркости изображения. При уменьшении изображения происходит обратный процесс: компьютер просто «выбрасывает» лишние пиксели. При этом в изображении теряются мелкие детали и деформируются надписи. Отсюда главный минус растровой графики — зависимость качества изображение от его размеров. Следовательно, растровую графику следует применять для изображений с фотографическим качеством, на котором присутствует множество цветовых переходов. Точечную графику редактируют с помощью растровых графических редакторов.
Размер файла, хранящего растровое изображение, зависит от двух факторов:
1— от размера изображения (количества пикселей);
2— от глубины цвета изображения.
Поэтому чем больше разрешение, а также количество цветов представлено на картинке, тем больше будет размер файла.
Величина матрицы не влияет на физический размер экрана и не зависит от него. Чем больше матрица на одном и том же экране, тем размер ячейки меньше, а, стало быть, качество изображения лучше.
Физический размер изображения может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом. Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает. Если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.
Основным преимуществом растровых изображений является возможность передавать огромное количество оттенков цвета и плавных переходов между ними, поэтому при оцифровке фотографий пользуются именно растровым методом. Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы (рис. 3.4).
Рисунок 3.4. Растровая композиция
Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде скриншотов.