Работа с графикой

Компьютерная графика, чуть более десяти лет назад бывшая если не экзотическим, то довольно специальным приложением компьютера, сегодня повсеместна.

Всякий, впервые сталкивающийся с компьютером, уже в самом начале обучения (если курс специально не построен так, чтобы ограничиться на первых порах программами с текстовым или псевдографическим интерфейсом), скорее всего, встретится с графическим терминалом, отображающим различные графические элементы (включая и текстовую информацию, также отображающуюся в графическом режиме средствами компьютерной графики).

Элементарная обработка (создание и редактирование) изображений (как векторных, так и растровых) входит в число приложений, перечисленных в «Обязательном минимуме содержания образования по информатике» в качестве обязательных к освоению в курсе средней школы.

Предметность обучения предполагает, что учащийся «узнает» в создаваемых или редактируемых им картинках при изучении обработки изображений подобие уже знакомых ему элементов графических интерфейсов. Чтобы это счастливое узнавание произошло, представляется целесообразным включить некоторые первоначальные сведения о компьютерной графике уже во введение в предмет, которым начинается его изучение. К сожалению, не все учебники это реализуют, поэтому преподавателю могут потребоваться некоторые дополнительные усилия, но, на самом деле, небольшие, поскольку наглядный материал «под рукой» в любом компьютерном классе.

Векторное и растровое кодирование изображений

Способы кодирования графических данных делятся на две категории: растровый (точки равномерно размеченного прямоугольника) и векторный (описания линий и фигур, составляющих изображение).

Например, растровое изображение окружности может быть таким: «заполняем квадрат 5х5: белая точка (Б), черная точка (Ч), Ч, Ч, Б, Ч, Б, Б, Б, Ч, Ч, Б, Б, Б, Ч, Ч, Б, Б, Б, Ч, Б, Ч, Ч, Ч, Б». (Более умные «форматы со сжатием», возможно, позволят сократить запись до чего-нибудь, подобного: «заполняем квадрат 5х5: Б, 3Ч, Б, 3(Ч, 3Б, Ч), Б, 3Ч, Б», а то и еще более компактно, но суть не в этом).

Векторное ее изображение совсем другое: «черная окружность с центром в (3,3), радиусом 2 и толщиной линии 1».

Важно понимать, что большинство компьютерных графических устройств сегодня — и терминалы, и сканеры, и принтеры — по своей природе растровые. Исключение составляют только графопостроители (плотерры) и редко доступные в учебных условиях их промышленные «кузены» (такие, как фрезерный станок с числовым управлением).

Соответственно, изображение, вне зависимости от его собственной природы (векторной или растровой), будет при отображении преобразовано в растр и доступно человеческим чувствам в растровой форме (даже если растр почти незаметен, как на дисплеях с высоким разрешением, или вообще имеет сетку ниже порога восприятия, как при печати на качественных струйных или лазерных принтерах). И указанные два способа вполне могут привести к неотличимому результату.

Применение векторной и растровой графики

Разница может проявиться тогда, когда мы начнем обрабатывать элементы изображения.

Векторное изображение может без ущерба масштабироваться (увеличиваться или уменьшаться), причем эта операция обратима. В приведенном примере мы можем без труда увеличить векторную окружность в пять раз: «черная окружность с центром в (15,15), радиусом 10 и толщиной линии 5», и она останется окружностью.

А вот растровое изображение при увеличении обнаружит лишь свой растр в увеличенном виде (и на окружность наш пример похож уже будет мало). Более того, операция уменьшения (или увеличения в нецелое число раз) растрового изображения уже не является обратимой: информация при осуществлении такой операции безвозвратно теряется.

Кроме того, векторное изображение, содержащее более одного элемента (например, изображение двух пересекающихся

окружностей), может быть разъято на элементы без каких-либо потерь. С растровым изображением такое, в общем случае, невозможно: программа «не знает» об элементах изображения и о принадлежности тех или иных точек отдельным элементам.

В общем случае, векторное кодирование хорошо подходит для работы с чертежами, схемами, картами, диаграммами, графиками и т.п., а растровое — для обработки фотографий и рисунков. Векторное изображение может быть без ущерба для восприятия преобразовано в растр, в то время, как обратное преобразование в общем случае проблематично (хотя есть программы, позволяющие с той или иной точностью распознавать графические образы). Векторное кодирование часто компактнее растрового, но его отображение требует больших вычислительных ресурсов[21].

Пример, который всегда перед глазами пользователя компьютера — шрифты. Когда точно известен масштаб, в котором будет отображаться текст, часто используются растровые («фиксированные») шрифты, представляющие собой набор растровых изображений отдельных букв и других символов используемого алфавита (например, растровые шрифты используются видеокартой, работающей в текстовом режиме, но также часто и как элемент графического интерфейса). Их применение позволяет отображать символы с недостижимой иным способом четкостью, но, если нужно более одного размера шрифта, потребуется трудоемкая работа по разработке нескольких таких шрифтов.

Когда необходимо свободное масштабирование шрифтов, используются векторные шрифты (на самом деле, большинство масштабируемых шрифтов — это библиотеки программ, «рисующих» соответствующие буквы, часто — с учетом важности их отдельных элементов для восприятия; но разница в данном случае несущественна). Качество отображения мелкого кегля или на экране с низкой разрешающей способностью у них ниже, но они универсальнее.

Прочие элементы графических пользовательских интерфейсов также используют как векторную (большинство органов управления и большинство элементов оформления окон), так и растровую (пиктограммы-«значки») графику