Компьютерная графика. Достоинства компьютерной графики. ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерная графика – это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка графической информации с помощью ЭВМ.

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. Применяется в медицине, рекламном бизнесе, индустрии развлечений и т. д. Конечным продуктом компьютерной графики является изображение. Это изображение может использоваться в различных сферах, например, оно может быть техническим чертежом, иллюстрацией с изображением детали в руководстве по эксплуатации, простой диаграммой, архитектурным видом предполагаемой конструкции или проектным заданием, рекламной иллюстрацией или кадром из мультфильма.

В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:

1. Представление изображения в компьютере;

2. Подготовка изображения к визуализации;

3. Создание изображения;

4. Осуществление действий с изображением.

Достоинства компьютерной графики:

- графические изображения являются наиболее естественными средствами общения с ЭВМ;

- возможность распознавания двухмерных и трехмерных изображений, что позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных;

Распространение компьютерной графики началось с полиграфии. Сейчас без развитой и изощренной графики не обходится ни один фантастический фильм, ни одна компьютерная игрушка; ни один приличный доклад в сфере бизнеса не обходится сейчас без компьютерной презентации. Создаются изображения настолько реальные, что трудно поверить в то, что все это создано на компьютере. Мощнейшие машины и талантливейшие команды математиков, программистов и дизайнеров работают над этим

Компьютерная графика не является простым рисованием при помощи компьютера, а представляет собой довольно сложный комплекс, который условно можно разделить на несколько направлений: двухмерная графика; полиграфия; web-дизайн; мультимедиа; 3D-графика и компьютерная анимация; видеомонтаж; САПР и инженерная графика; деловая графика; научная графика.

Двухмерная графика. Двухмерная, или 2D-графика, - это основа всей компьютерной графики (в том числе и 3D-графики). Ни один компьютерный художник-дизайнер не может плодотворно работать над своими проектами без понимания базовых положений двухмерной графики.

Многие пользователи ПК связывают понятие компьютерной графики с программами, предназначенными для редактирования двухмерных цифровых изображений. Это программное обеспечение по принципу действия и функциональному назначению можно разделить на три группы: растровая графика (bitmap, иди raster); векторная графика (vector); фрактальная графика (fractal), которые более детально будут рассмотрены ниже.

Полиграфия - довольно сложное направление, требующее от работающего в этой области наибольшей широты знаний. Даже на поверхностный взгляд работа в полиграфии довольно разнообразна: создание визиток, бланков, рекламных листовок, буклетов и плакатов; работа в периодических изданиях (часто имеющих свою специфику). Для реализации этих задач предназначены программы верстки.

Программы верстки страниц дают возможность соединять вместе текстовую и графическую информацию для создания информационных бюллетеней, журналов, брошюр и рекламной продукции. Среди наиболее популярных программ можно выделить Adobe PageMaker и QuarkXPress. Большинство программ верстки страниц используется для компоновки различных элементов на странице, а не для того, чтобы с нуля создавать в них текстовые или графические файлы. Тексты объемных документов, как правило, пишутся (набираются) в системах обработки текстов (текстовых редакторах типа MS Word), а затем импортируются в программы верстки. Графика часто создается в программах черчения (деловой графики) и редактирования изображений, а затем импортируется в программу верстки страниц. Пакеты компьютерной графики для полиграфии позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством.

Мультимедиа. Мультимедиа - это область компьютерной графики, связанная с созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ и интерфейсов к ним.

В отличие от полиграфии, где дизайнер-полиграфист сотрудничает с печатником, дизайнер-мультимедийщик сотрудничает с программистом. Здесь требования к графике уже другие. Так, в полиграфии, например, файлы должны иметь достаточно большое разрешение. В результате размеры файлов могут составлять десятки и даже сотни мегабайтов. В мультимедиа же ограничением служит разрешение экрана монитора и требование минимизации размеров файлов. Здесь контроль за качеством проще, чем в полиграфии, для него достаточно наличие хорошего монитора.

Для работы в этой области наряду с графическими редакторами необходимо знать программы создания мультимедиа - например, Macromedia Director или MS Power Point.

Web-дизайн. Особую значимость изображения приобрели с развитием глобальных компьютерных сетевых технологий. В настоящее время это одна из наиболее бурно развивающихся областей применения компьютерной графики. Требования к созданию изображений для WWW очень противоречивы. С одной стороны, жесткие ограничения по снижению размеров файлов для минимизации времени их передачи по сети, с другой - необходимость сохранения качества передаваемой по сети «картинки». Каждый формат графических изображений, применяемый в WWW, имеет свои особенности: JPEG, например, хорош для фотографий, а GIF - для векторных изображений. К тому же WWW имеет свою область цветового охвата, что необходимо учитывать при создании изображений.

3D-графика и компьютерная анимация. Это еще одно широкое и по-своему сложное направление, особый мир. 3D-графика - это создание искусственных предметов и персонажей, их анимация и совмещение с реальными предметами и интерьерами. На сегодняшний день определилось несколько перспективных направлений ее использования. Во-первых, широкое применение 3D-графика находит в индустрии компьютерных игр. Анимационные заставки, интерфейсы и персонажи компьютерных игр создаются в программах 3D-графики. Другая область применения 3D-графики - телевизионная реклама и оформление телевизионных каналов. В-третьих, многие архитекторы и дизайнеры используют 3D-графику для построения макетов зданий и трехмерных моделей архитектурных памятников, которых еще не существует в природе.

Освоение 3D-графики требует немало времени и мощных системных ресурсов. Чтобы результат выглядел фотореалистично, необходимо освоить не только 3D-моделирование, но и уметь правильно осветить сцену, найти хороший ракурс камеры, подобрать материал и текстуры. Все это существенно влияет на качество графики.

Видеомонтаж. Видеомонтаж можно условно разделить на два направления: спецэффекты в кино и подготовка телевизионных передач.

Спецэффекты в кино - это то, что мы видим или не видим на экране, начиная с простого «стирания» страховок и прочих вспомогательных элементов в трюковых кадрах и заканчивая совмещением виртуальных пейзажей с живыми актерами.

Подготовка телевизионных передач - быстроразвивающаяся область, сходная с созданием спецэффектов в кино, но ограниченная более сжатыми временными сроками. В качестве примера можно взять любой молодежный музыкальный канал.

Видеомонтаж отличается от других направлений компьютерной графики тем, что манипулирует «живыми» картинками и использует свою технологию работы. На сегодняшний день одной из наиболее популярных программ, используемых в этой области компьютерной графики, является Adobe Premier.

САПР и инженерная графика. Программы САПР (или CAD — computer-aided design) представляют собой векторные программные средства, которые нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Одно из главных применений составляет их использование в различных областях инженерной конструкторской деятельности - от проектирования микросхем до создания самолетов.

Другой важной областью применения САПР является архитектура. Так, фирма McDonald's уже с 1987 года использует машинную графику для архитектурного дизайна, размещения посадочных мест, планирования помещений и проектирования кухонного оборудования. Использование машинной графики позволяет визуально воспроизводить двухмерные изображения и трехмерные модели.

САПР используется и в медицине. Например, автоматизированное проектирование имплантантов, особенно для костей и суставов, позволяет минимизировать необходимость внесения изменений в ходе операции, что сокращает время пребывания на операционном столе (результат положительный как с точки зрения пациента, так и с точки зрения врача).

Среди программ моделирования под Windows безусловным лидером является программа AutoCAD фирмы Autodesk. Это мощная система машинного проектирования, которую иногда рассматривают как электронный кульман, позволяющий:

- реализовать основные операции по созданию и редактированию линий, дуг и текста;

- синтезировать 2D- и 3D-модели;

- автоматизировать решение многих задач, возникающих в процессе проектирования;

- адаптировать и настроить систему на конкретные приложения, создавая собственные сценарии и макрокоманды.

Такая программа даже способна помочь сформировать бюджет крупных архитектурных и инженерных проектов.

Особенностью компьютерных программ данного типа (за исключением, AutoCAD) является их предметная направленность. Поэтому их использование предусматривает знание не только основ компьютерной графики, но и самого предмета проектирования. Поэтому программы класса CAD довольно сложны в освоении и использовании.

Деловая графика. Графические представления расчетных и статистических данных удобно представлять в виде схем, диаграмм, гистограмм и графиков. Различают следующие виды деловой графики:

- гистограмма – группа столбцов, пропорциональных по высоте определенным числовым значениям;

- круговая диаграмма – секторы круга, углы которых пропорциональны элементам данных;

- линейный график – отображение исходных величин в виде точек, соединенных отрезками прямых линий;

- временная диаграмма – последовательность операций или процессов определенной длительности (измерение динамических процессов);

- структурная схема – представление сложных объектов в виде дерева или графа;

- круговая гистограмма – представление относительных величин объектов, которым на изображении сопоставляются размеры и расположение кругов в прямоугольной системе координат.

Из числа средств прикладного программного обеспечения общего назначения графическое представление данных лучше всего развито в электронных таблицах и в СУБД.

Научная графика. Компьютерная графика представляет значительный интерес для научных исследований. В частности, она выступает как средство формирования научной документации с использованием специальной нотации – математических знаков, индексов, шрифтов и т.п. В последнее время ученые чаще стали обращаться к имитационному моделированию на компьютере, позволяющему воссоздать в видимой форме то, что иногда в принципе нельзя увидеть глазами: распределение поля температур на поверхности другой планеты, напряжений внутри слитка металла, строения сложной органической молекулы и т. д. Для этих целей используют специальные математические пакеты, например, Matlab, Mathcad, Maple, оснащенные элементами компьютерной графики.

Таким образом, сферы применения компьютерной графики чрезвычайно разнообразны. Каждый ее раздел имеет свои отличительные особенности и тонкости «технологического производства». Для каждого из них создано свое программное обеспечение, включающее разнообразные специальные программы (графические редакторы). Вне зависимости от области использования каждый графический редактор, как правило, должен иметь: инструменты рисования на компьютере; библиотеку готовых изображений; набор шрифтов; набор спецэффектов, а также быть совместимым с другими графическими программами.

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Способы представления графических изображений

Одним из популярных направлений использования персонального компьютера является компьютерная графика.

Компьютерная графика представляет собой одну из современных технологий создания различных изображений с помощью аппаратных и программных средств компьютера, отображения их на экране монитора и затем сохранения в файле или печати на принтере.

Существует два способа представления графических изображений: растровый и векторный. Соответственно различают растровый и векторный форматы графических файлов, содержащих информацию графического изображения. Растровые форматы хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов, оттенков и форм. Это такие изображения, как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматы хорошо применимы для чертежей и изображений с простыми формами, тенями и окраской.

Основные понятия растровой графики

Наиболее просто реализовать растровое представление изображения. Суть этого метода заключается в следующем. Картон и стена, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены.

Итак, под растровымрисунком (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселей) различных цветов или оттенков.

Таким образом, растровое изображение напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена, например, черным или белым цветом, в совокупности формируя рисунок, как показано на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Формирование растрового рисунка

 

Основным элементом растрового изображения является пиксель (pixel от PICture ELement). В компьютерной графике термин «пиксель», может обозначать разные понятия: наименьший элемент изображения на экране компьютера; отдельный элемент растрового изображения; точка изображения, напечатанного на принтере.

Поэтому на практике эти понятия часто обозначают так:

- пиксель - отдельный элемент растрового изображения;

- видеопиксель - наименьший элемент изображения на экране монитора;

- точка (dot) - наименьший элемент, создаваемый принтером.

Цвет каждого пикселя растрового изображения – черный, белый, серый или из спектра – запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов используется для этого, тем большее количество оттенков цветов для каждого пикселя можно получить. Число битов, используемых компьютером для хранения информации о каждом пикселе, называется битовой глубинойилиглубиной цвета.

Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселей, имеющих два возможных цвета – черный и белый. Для хранения такого типа пикселя требуется один бит в памяти компьютера. Поэтому изображения, состоящие из пикселей такого вида, называются 1-битовыми изображениями. Для отображения большего количества цветов используется больше битов информации. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цвета каждого пикселя равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых для каждого пикселя. 24 бита обеспечивают более 16 миллионов цветов. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так как такого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить всевозможные цвета, которые способен различать человеческий глаз.

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют сканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, в большей мере ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В сети Интернет применяются в основном только растровые иллюстрации.

Основной недостаток растровой графики состоит в том, что каждое изображение для своего хранения требует большее количество памяти. Простые растровые картинки, такие как копии экрана компьютера или черно-белые изображения, занимают до нескольких сотен килобайтов памяти. Детализированные высококачественные рисунки, например, сделанные с помощью сканеров с высокой разрешающей способностью, занимают уже десятки мегабайтов. Для разрешения проблемы обработки объемных (в смысле затрат памяти) изображений используются два основных способа:

· Увеличение памяти компьютера.

· Сжатие изображений.

Другим недостатком растрового представления изображений является снижение качества изображений при масштабировании.

Основные понятия векторной графики

Векторное представление,в отличие от растровой графики, определяет описание изображения в виде линий и фигур, возможно, с закрашиваемыми областями, заполняемыми сплошным или градиентным цветом. Хотя это может показаться более сложным, чем использование растровых массивов, но для многих видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

В векторной графике для описания объектов используются комбинации компьютерных команд и математических формул для описания объектов. Это позволяет различным устройствам компьютера, таким как монитор и принтер, при рисовании этих объектов вычислять, где необходимо помещать реальные точки.

Векторную графику часто называют объектно–ориентированной или чертежной графикой. Имеется ряд простейших объектов, или примитивов,например, эллипс, прямоугольник, линия. Эти примитивы и их комбинации используются для создания более сложных изображений.

Векторные рисунки могут включать в себя и растровые изображения. Кроме того, векторные и растровые изображения могут быть преобразованы друг в друга – в этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы.

Все графические примитивы обладают свойствами. К этим свойствам относятся: форма объекта, его толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т. п.). Замкнутые объекты имеют свойство заполнения. В качестве заполнителя может быть выбрана цветная краска или регулярная текстура. Текстура – специальное отображение поверхности в векторном формате, имитирующее различные виды поверхности. Иногда в качестве заполнителя используют заготовленные растровые изображения, называемые картой.

Примитив строится вокруг его узлов. Например, простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые являются ее узлами. Координаты узлов задаются относительно координатной системы макета. Каждому узлу приписывается группа параметров, в зависимости от типа примитива, которые задают его геометрию относительно узла. Например, окружность задается одним узлом и одним параметром – радиусом. Такой набор параметров, которые играют роль коэффициентов и других величин в уравнениях и аналитических соотношениях объекта данного типа, называют аналитической моделью примитива. Нарисовать примитив – значит, построить его геометрическую форму по его параметрам согласно его аналитической модели.

Векторная графика в сравнении с растровой имеет следующие преимущества:

· Простота масштабирования изображения без ухудшения его качества.

· Независимость объема памяти, требуемой для хранения изображения, от выбранной цветовой модели.

Недостатком векторных изображений является их некоторая искусственность, заключающаяся в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов.

Растровая и векторная графика существуют не обособлено друг от друга. Так, векторные рисунки могут включать в себя и растровые изображения. Кроме того, векторные и растровые изображения могут быть преобразованы друг в друга - в этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы. Достаточно просто выполняется преобразование векторных изображений в растровые. Не всегда осуществимо преобразование растровой графики в векторную, так как для этого растровая картинка должна содержать линии, которые могут быть идентифицированы программой конвертации (типа CorelTrace в составе пакета CorelDraw) как векторные примитивы. Это касается, например, высококачественных фотографий, когда каждый пиксель отличается от соседних.

 

Фрактальная графика

Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле… Геометрические фракталы на экране компьютера - это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Они…

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Программные средства создания растровых изображений

Среди программ для создания изображений на платформе Macintosh стоит отметить пакет для редактирования растровой живописи и изображений PixelPaint… Среди программ компьютерной живописи для графических станций Silicon Graphics… В обширном классе программ для обработки растровой графики особое место занимает пакет Photoshop компании Adobe. По…

Средства создания и обработки векторной графики

Векторный редактор Adobe Illustratorявляется одним из общепризнанных лидеров среди программ этого класса. Его особое преимущество заключается в… Векторный редактор Macromedia Freehandс простым и дружественным интерфейсом… Векторный редактор CorelDrawисторически, особенно в России, считается основным пакетом создания и обработки векторной…

Программные средства обработки трехмерной графики

Программа создания и обработки трехмерной графики 3D Studio Max фирмы Kinetix изначально создавалась для платформы Windows. Этот пакет считается… Программа Softimage 3D компании Microsoft изначально создавалась для рабочих… Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является программа Maya, разработанная консорциумом…

Форматы графических данных

TIFF (Tagged Image File Format).Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла .TIF). Относится к… PSD (PhotoShop Document).Собственный формат программы Adobe Photoshop… PCX, Формат появился как формат хранения растровых данных программы PC PaintBrush фирмы Z-Soft и является одним из…

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Видеокарта (видеоадаптер)

С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти… За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов… Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно…

Аппаратные средства получения растровых изображений

Сканеры по способу восприятия изображения делятся на две группы: устройства с электронными фотоумножителями (ФЭУ) и устройства на приборах с… Прочие сканеры относятся к устройствам на ПЗС. В отличие от ФЭУ, приборы с… В высокоточных сканерах на ПЗС дополнительно применяются: система зеркальной развертки по обоим координатам с…

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ, ЦВЕТ, МАСШТАБИРОВАНИЕ И СЖАТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКЕ

Разрешающая способность

- разрешающая способность графического изображения; - разрешающая способность принтера как устройства вывода; - разрешающая способность мыши как устройства ввода.

Цвет в компьютерной графике

Понятие цветовой модели

- цветовые модели; - системы соответствия цветов; - цветовые режимы.

Система аддитивных цветов

При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что… Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и… Аддитивные цвета нашли широкое применение в системах освещения, видеосистемах, устройствах записи на фотопленку,…

Система субтрактивных цветов

В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс: какой-либо цвет получается вычитанием других цветов из общего луча света. При этом белый… Нанесение на бумагу трех базовых цветов: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta)… Соотношения, связывающие аддитивные (красный, зеленый, синий) и субтрактивные (голубой, желтый, пурпурный) цвета:

Система перцепционных цветов

В модели HSB тоже три компонента: тон цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Тон цвета представляет собой конкретный оттенок цвета, отличный от других:… Насыщенность характеризует относительную интенсивность цвета. Насыщенность характеризует степень ослабления…

Цветовая палитра

Рассмотренные выше системы работают со всем спектром цветов – миллионами возможных оттенков. Однако пользователю часто достаточно не более… При работе с изображением компьютер создает палитру и присваивает каждому… Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего.…

Таблица 2 - Двоичный код восьмицветной палитры

Красный	Зеленый	Синий	Цвет
			Черный
			Синий
			Зеленый
			Голубой
			Красный
			Пурпурный
			Желтый или коричневый
			Белый

 

Следовательно, для кодирования 8-цветного изображения требуется три бита памяти на один пиксель.

Для запоминания числа от 1 до 16 необходимо 4 бита памяти, а от 1 до 256 – 8 битов, поэтому изображения, имеющие 16 цветов называют 4-битовыми, а 256 цветов – 8-битовыми. При сравнении 24 битами, необходимыми для хранения полного цвета в системе RGB, или с 32 битами – в системе CMYK, экономия памяти очевидна.

При работе с палитрой можно применять любые цвета, например, системы RGB, но ограниченное их количество. Так, при использовании 256-цветовой палитры в процессе ее создания и нумерации каждый цвет в палитре описывается как обычный 24-битовый цвет системы RGB. А при ссылке на какой-либо цвет уже указывается его номер, а не конкретные данные системы RGB, описывающие этот цвет.

 

Масштабирование изображений

Масштабирование векторных рисунков выполняется просто и без потери качества, так как объекты векторной графики создаются по их описаниям, то для… Масштабирование растровых рисунков является намного более сложным процессом,… 1. Одновременное изменение размеров всех пикселов (в большую или меньшую сторону).