Лекция 21. Основы компьютерной графики. Пакеты программ векторной и растровой графики. Сферы их применения

План лекции:

 

1. Стандарты машинной графики

2. Основы компьютерной графики

3. Классификация пакетов машинной графики

4. Основные сведения о программах растровой графики

5. Программы векторной графики* (Для дополнительного изучения)

6. Программы 3D-графики* (Для дополнительного изучения)

 

Среди многообразия возможностей, предоставляемых современными вычислительными средствами, компьютерная графика, ориентированная на пространственно - образное мышление человека, занимает особое место. Методы и средства компьютерной графики представляют собой эффективный инструмент при выполнении проектно - конструкторских, научно - исследовательских, оформительских работ, а также всех случаев визуализации различных объектов.

В словаре терминов по обработке данных Международной организации по стандартизации (ISO) термин "машинная графика" определен следующим образом - это совокупность методов и средств для преобразования данных в графическую форму представления и из графической формы представления с помощью ЭВМ.

1. Стандарты машинной графики

Существует несколько утвержденных и официально принятых стандартов в области машинной графики:

· GKS (Graphical Kernel System) - базовая графическая система, стандарт ядра графических средств, ориентированный на ПЭВМ;

· версия GKS-3Dработает с пространственными трехмерными объектами и их изображениями;

· PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System) - иерархическая интерактивная графическая система программиста, ориентированная на 32 - разрядные компьютеры; эта система позволяет в отличие от GKS организовывать иерархические структуры графических данных, соответствующие многоуровневым пользовательским моделям;

· CGM (Computer Graphics Metafile) -oпределяющий формат файла графической информации для IBM PC;

· CGI (Computer Graphics Interface) -регламентирующий требования к интерфейсу ПЭВМ, совместимых с IBM PC;

· SGML (Standardized General Markup Language) -стандартизированный графический маркировочный язык общего назначения (используемый в сети InterNet);

· IGES (Initial Graphics Exchange Specification) -исходная спецификация для обмена графической информацией.

Последние 4 стандарта обеспечивают связь GKS c другими составными частями системы машинной графики. В Windows сейчас установлены стандарты GDI, OpenGL (Windows NT), VRML (Visual Reality MarkUp Language).

Машинная графика работает с графическими объектами, преобразует их и синтезирует на экране графического дисплея. В зависимости от направления, в котором преобразуются и передаются данные (по отношению к ЭВМ), способа их визуального представления и типа объектов визуализации, различают три области применения машинной графики:

1. Синтез изображения. Основной задачей, решаемой в этой области, является генерация изображения и вывод его на конкретное устройство графического вывода (дисплей, графопостроитель, принтер).

2. Анализ изображения. В этой области решается задача исследования изображения на предмет распознавания в нем элементарных объектов по их абстрактным обобщенным описаниям, включающим характерные особенности исследуемого объекта.

3. Обработка изображений. Предназначена для изменения визуального представления картины с целью улучшения ее качества или преобразования (векторный формат - растровый или в др.). Например, при анализе фотографического изображения или исследовании кардиограмм для более четкого выделения отдельных фрагментов.

2. Основы компьютерной графики

Машинная графика имеет два основных типа представления изображений: растровый и векторный.

Изображения первого типа (растровые) представляют собой матрицу одинаковых по размеру прямоугольных элементов, каждый из которых обладает определенными цветовыми характеристиками. В результате получается своеобразная мозаика, выложенная из таких элементов — пикселей (рис. 1).

Рисунок 1 -. Растровое изображение и его фрагмент при большом увеличении

 

Такой способ лучше всего подходит для изображений с большим количеством деталей и сложными цветовыми переходами, в частности для фотографий. В современной компьютерной графике он является самым распространенным. Однако существуют области, где предпочтительнее использовать векторную графику.

Векторное представление изображения кардинально отличается от растрового. Его принцип состоит в том, что описываются только основные точки изображения, а промежуточные достраиваются между ними по определенным математическим законам. Например, если необходимо нарисовать прямую, то можно указать только координаты концов отрезка, а также сделать пометку, что соединяющая их линия — прямая. Для описания окружности достаточно задать ее центр, указать радиус и сделать пометку «окружность». Аналогичным образом кодируются цвет объекта, толщина линий и пр. В таком виде информация хранится в файле, а когда приходит время отобразить графический элемент на мониторе, на бумаге или ином носителе, выводное устройство строит недостающие элементы изображения в соответствии с инструкциями.

Для описания векторного графического объекта существует множество способов. Самый удобный и распространенный из них — так называемые кривые Безье. Придумал эту модель в 1968 году французский инженер-математик Пьер Безье для решения узкоспециальной задачи — простого описания сложных двумерных фигур для машин по обработке листового металла. Способ оказался настолько удачным, что завоевал популярность далеко за пределами инженерной графики. Его суть сводится к следующему. Любая геометрическая фигура (традиционно она называется Path (Путь)) разбивается на несколько относительно простых участков (сегментов). Каждый сегмент начинается и заканчивается особой (якорной) точкой. В файле явно описываются координаты якорных точек, а также первая и вторая производные выходящего из них сегмента. На рис. 2 изображен фрагмент кривой Безье.

 

Рисунок 2 - Фрагмент кривой Безье

 

Якорные точки — это маленькие белые квадраты (1), из которых выходят вспомогательные прямые (2). Эти отрезки называют Control Handle (Направляющая линия). Каждая направляющая заканчивается черной точкой — маркером (3), ее длина и направление как раз и соответствуют первой и второй производным. Для того чтобы изменить форму сегмента, достаточно потянуть за маркер соответствующей направляющей.

У каждого метода есть свои преимущества. Растровый позволяет передавать тонкие, едва уловимые детали образов, векторный же лучше применять, если оригинал имеет отчетливые геометрические очертания. Векторная графика все больше используется для Интернета, так как при соблюдении определенных условий размер ее файлов очень незначителен, что крайне важно при передаче информации по сетям. Но растровые файлы быстрее вырисовываются на экране дисплея, так как для вывода векторного изображения процессору необходимо произвести множество математических операций. С другой стороны, векторные файлы гораздо проще редактировать.

Среди современных программных продуктов, традиционно относящихся к сфере векторной графики, на самом деле трудно встретить «чисто» векторные редакторы: все приложения в большей или меньшей мере могут работать с растровыми объектами, текстом и другими элементами.

3. Классификация пакетов машинной графики

Различают системы научной, инженерной, деловой и иллюстративной графики.

1. Научная - вывод графиков функций (2 и 3-мерных), решение систем уравнений, графическая интерпретация результатов. Особенно популярен у нас в стране пакет MathCAD (MathSoft). Существуют подобные программы MatLab, Derive, Mathematica, Maple. Для отображения различных графиков (в т.ч. заданных таблично) существуют пакеты Grapher (Golden Software), Origin (MicroCal), SurFer, Statistica 7.0, SPSS 12.0.

2. Инженерная (САПР) - различные применения в машиностроении, проектировании печатных плат, архитектуре и т.п. Несомненными лидерами являются AutoCAD (AutoDesk) 2005 и P-CAD, GraphiSoft ArchiCAD 8.1 R1 INTERNATIONAL. В России хорошо известны отечественные и адаптированные западные системы CADdy, Компас, CherryCAD, , OrCAD, IntelliCAD и др.

3. Деловая - построение графиков, диаграмм, создание рекламных роликов, демонстраторов. Построение различных диаграмм позволяют все электронные таблицы Corel Quattro Pro, Microsoft Excel, Lotus и СУБД (Paradox, FoxPro, Access). Существуют специальные системы создания демонстрационных роликов для презентаций. Среди них выделяются PowerPoint (MicroSoft), Freelance Graphics (Lotus), Presentations (Corel-WordPerfect), HollyWood (IBM).

4. Иллюстративная - различается на 6 взаимосвязанных областей :

1. Создание рисунков растровой графики - графические редакторы PaintBrush (ZSoft) V, Dr. Halo, FantaVision (BroderBund), StoryBoard Plus (IBM), ShowPartner, C-Pen (советский), Pictor.

2. Настольные издательские системы - Adobe PageMaker, Corel Ventura. Приближаются к ним по возможностям текстовые редакторы Lotus Word Pro, Microsoft Word, Corel WordPerfect. Вышли версии QuarkXPress 6.0 (лидер платформы Mac), FrameMaker (Unix).

3. Художественные иллюстрации с векторной графикой - Corel Draw Graphics Suite 12, Adobe Illustrator CS 11.0, MicroGrafx Designer, Visio, MarcoMedia FreeHand.

4. Обработка сканированных изображений (фоторетуширование, спецэффекты) - Adobe PhotoShop CS 8.0 (R), Aldus PhotoStyler, Corel PhotoPaint (бывший PhotoFinish ZSoft), MicroGrafx Picture Publisher, Corel Xara, Fractal Design Painter, MacroMedia xRes. Наборы фильтров для эффектов - Kai's Power Tools 3.0, Adobe Gallery Effects 1.5.

5. Анимация (двухмерная и трехмерная) - Autodesk 3D Studio, AutoDesk Animator Pro (Animator Studio), MacroMedia Extreme 3D, 3DS Max 6.0, SoftImage, LightWave, Alias/Wavefront Maya 5.0, разнообразные программы морфинга. Отечественные системы Media Master (Aist), Picture Man (Stoik).

6. Обработка и вывод живого видео - Adobe Premier 7.0, Maxon Cinema 3D, Corel Lumiere Suite, Speed Razor, Video Studio, разнообразные специальные обработчики видео - материалов.

4. Основные сведения о программах растровой графики

Adobe Photoshop.Программа Adobe Photoshop стала стандартом в сфере растровой графики.

Преимущества программы Adobe Photoshop:

1. Принцип использования слоев. Слои служат базовым средством программы: любое изображение по умолчанию размещается как минимум на одном слое, верхний предел числа слоев практически не ограничен. А далее обработка слоев зависит только от фантазии художника. Используя сочетания прозрачных и закрашенных участков, различные способы взаимодействия слоев, добиваются поразительных эффектов, недостижимых никакими другими средствами.

2. Система подключаемых программных модулей (Plug-In) Подключаемые программные модули служат для обработки изображений различными способами. Только коммерческих (платных) модулей насчитывается несколько сотен. Это простейшие эффекты и мощные комплексные средства сложных преобразований.

3. Начиная с версии 6, появились инструменты для работы с элементами векторной графики. Это новшество сказалось на удобстве работы с текстами. Создание правильных геометрических фигур и сложных кривых стало простым.

4. Средствами Photoshop можно маскировать, закрашивать, обрезать, менять параметры изображения или его участков.

5. Удобство инструментов настройки цветов и преобразования палитр.

6. Неотъемлемым элементом пакета стала программа обработки WEB-графики Image Ready, которая позволяет создавать простую анимацию.

Corel Photo-Paint. Несколько лет назад развивающаяся компания Corel приобрела лицензию на графический пакет Paintbrush Plus у фирмы Zsoft и выпустила этот продукт под названием Photo-Paint. С тех пор программа неизменно входит в состав пакета CorelDraw. Реальным конкурентом продуктов профессионального класса Photo-Paint считают с седьмой версии, в которой появилась поддержка слоев. Версия 12 пакета – высшее достижение компании Corel в области обработки растровой графики. Это пакеты программ одной «весовой категории» с Photoshop. К сожалению, среди российских пользователей сложилось негативное мнение о программе Photo-Paint, благодаря «пиратским» сырым бета-версиям. Полноценный пакет вполне конкурентоспособен и отличается рядом уникальных достоинств:

1. Открытие или импорт файлов векторной графики в «родном» формате CorelDraw (открываемый векторный файл приобретает обтравочный контур).

2. Концепция слоев и объектов позволяет комбинировать растровые и векторные изображения в одной картинке, организуя взаимодействие между ними в соответствии с замыслом художника

3. Использование заливок с переменной прозрачностью

4. Богатый выбор собственных фильтров, не имеющих аналогов. К программе можно подключить фильтры, разработанные для Adobe Photoshop

5. Мощные средства импорта и экспорта файлов. Что позволяет удобно использовать программу как средство конвертирования файлов редких или устаревших форматов.

6. Интеграция с другими продуктами пакета CorelDraw Graphics Suite и, прежде всего, с самим векторным редактором CorelDraw. Все растровые фильтры работают непосредственно в CorelDraw, что позволяет быстро приводить рисунки к одному виду.

7. Богатейший выбор инструментов рисования: по этому параметру она существенно превосходит Adobe Photoshop и уступает, лишь Corel Painter. Благодаря тем же панелям свойств пользоваться комплектом инструментов чрезвычайно удобно. Таким же образом организовано использование других средств рисования: распылителя (Image Sprayer Tool), ластика (Eraser Tool) и прочих. Перечень объектов, наносимых распылителем, весьма внушителен и позволяет создавать выразительные композиции. Предусмотрена возможность создавать собственные библиотеки (Spaylist) для заполнения распылителем. В качестве исходного объекта используют готовое или самостоятельно созданное изображение.

8. Мощнейшие средства настройки параметров любого инструмента.

9. Богатая палитра эффектов (фильтров) для обработки изображений. Они сосредоточены в меню Effects. В отличие от средств палитры Effects Tool, которые действуют в области мазка кисти, фильтры меню Effects применяют к области выборки или к объекту (слою). Все фильтры можно условно разделить на корректирующие и стилистические, в зависимости от их основной функции. Стилистические фильтры являются самой развитой частью меню Effects и в этом отношении намного превосходят возможности Adobe Photoshop

Вывод: Если заменить термин «слой» на «объект», а «корректирующий слой» на «линзу», то Photoshop и Photo-Paint в отношении работы со слоями окажутся почти одинаковыми. Возможностей Photo-Paint вполне хватает для профессиональной обработки изображений

Jose Software Paint Shop Pro. Программа Paint Shop Pro обладает практически теми же возможностями, что и графические пакеты профессионального класса, однако стоит на порядок дешевле и проще в освоении. Ее интерфейс выполнен в соответствии со стандартами, установленными Microsoft для приложений Windows, и потому гораздо ближе начинающему пользователю, чем сложные инструментальные средства признанных лидеров.

Особенности программы Jose Software Paint Shop Pro:

1. Достаточно полный набор присущих графическому редактору средств: различные инструменты маскирования, кисти, заливки, стандартные фигуры, элементы управления яркостью, цветностью и т. Д

2. Работа со слоями аналогично Photoshop, за исключением стилей слоев.

3. Полная поддержка подключаемых модулей, разработанных для Photoshop. Программа умеет корректно открывать и сохранять файлы в «родном» для Photoshop формате psd.

4. Поддерка имитации «реалистичных» параметров кисти

5. Средство Picture Tube для создания заполнения разными объектами.

6. Поддержка огромного числа форматов файлов как растровой, так и векторной графики.

Вывод: Программа служит единственным доступным средством преобразования устаревших или «экзотических» форматов. Дополнительным модулем пакета является программа Animation Shop, предназначенная для создания простой анимации в форматах GIF, AVI, MPEG. Поддерживается редкий формат ANI для создания анимированных курсоров в операционной системе Windows.