Типы и характеристики компьютерной графики.

Современные компьютеры все шире применяются для построения изображений (ри­сунков), используемых в научных исследованиях; для наглядного представления резуль­татов; в конструкторских разработках, тренажерах, компьютерных играх; в инженерном, издательском, рекламном деле и других областях. Компьютерная графика служит основой анимации, под которой понимается изменение вида, формы, размеров, расположения объ­ектов на экране, создающее эффект мультипликации. Различают три основных типа ком­пьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную графику. Обычно особо выде­ляют еще трехмерную (3D — three‑dimensional) графику как средство построения объем­ных изображений. По цветности различают черно-белую и цветную компьютерную гра­фику, а по областям применения — инженерную, научную, деловую, игровую (развлека­тельную) компьютерную графику, компьютерную полиграфию и другие типы.

В растровой графике изображение строится как множество точек, так называемых пикселов. Пиксел (сокращение от слов picture cell — элемент изображения) представляет собой единицу измерения разрешения экрана (монитора) или печатного изображения и соответствует отдельной светящейся точке, цветом и яркостью которой можно управлять. Растр экрана монитора с диагональю 20-21" может содержать от 0,3 млн. до 3 млн. пиксе­лов. Поскольку изображение может быть цветным, для кодирования одного пиксела мо­жет потребоваться до трех байт информации. На весь экран, следовательно, может потре­боваться от 1 до 10 Мб, т.е. весьма значительный объем, но изображение, тем не менее, может быть довольно грубым. Качество изображений принято оценивать по числу пиксе­лов на 1" длины. Единицу такого измерения называют dpi — dots per inch. Для газетных иллюстраций достаточно около 70 dpi, для полноцветной полиграфической печати — 200-300 dpi, для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса — 2500 dpi, тогда как экран монитора обычно обеспечивает лишь несколько десятков (например,70) dpi и расстояние между соседними точками около 0,25 мм, что недостаточно для получения изображений высокого качества.

При растрировании изображения на него как бы накладывается сетка линий, разби­вающая его на квадратные ячейки. Число линий на дюйм Lpi (Lpi — lines per inch) назы­вается линиатурой. Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100, для газет - 65-85, для книг и журналов - 85-133, для художественных и рекламных работ - 133-300. Интенсивность тона, так называемая светлота, определяется числом точек (пик­селов) в ячейке растра. Для человеческого глаза рекомендуется 256 уровней тона, т.е. в ячейке должно помещаться до 16*16=256 пикселов. Для изменения уровня тона можно также изменять размеры пикселов; максимальный размер пиксела равен, очевидно, раз­меру ячейки растра.

Растровая графика позволяет строить изображения очень высокого качества, но, как видно из приведенных оценок, для этого требуется очень большой объем компьютерной памяти (например, для журнальной иллюстрации — до 130 Мб и более). Помимо больших запросов на память, недостатком растровой графики являются трудности увеличения изо­бражения для анализа его деталей. Поскольку при увеличении объем запасенной инфор­мации сохраняется, то без принятия специальных мер увеличение изображения приводит лишь к так называемой пикселизации — укрупнению отдельных пикселов с сохранением их численности. Изображение становится все более «зернистым» (фотографический тер­мин), грубым, искаженным. Сглаживание пикселизации представляет собой самостоя­тельную проблему.

Если основным элементом растровой графики является точка, то в векторной гра­фике основным элементом является линия (прямая или кривая). Объем памяти, требуемый для хранения линии, не зависит от ее длины, так как в памяти компьютера линия пред­ставляется формулой с несколькими параметрами, а не точками. Обычно ограничиваются линиями не выше третьего порядка, для построения которых достаточно иметь не более девяти коэффициентов и абсциссы двух концевых точек. При изменении размера линии меняются лишь параметры, а объем памяти сохраняется. Линии имеют свойства: форму, цвет, толщину, тип (сплошные, штриховые, пунктирные и т.п.). Для сохранения одной ли­нии достаточно 20-30 байтов оперативной памяти. Замкнутые линии имеют свойство за­полнения. Заполнение описанного линией контура может быть выполнено цветом (не­сколькими цветами) или текстурой (узором). Концы линии — узлы, которые также обла­дают свойствами, например, могут быть точками, кружками, квадратиками, различными фигурками. На экран линия по-прежнему выводится точками (таковы особенности мони­тора), но координаты этих точек вычисляются, а не хранятся в памяти компьютера.

Линия — элементарный, простейший объект векторной графики. Простейшие объ­екты могут объединяться в более сложные, например, плоские и объемные фигуры. Ти­пичные объекты сохраняются в памяти компьютера. Векторная графика позволяет легко увеличивать изображение или его фрагменты, например, план дома или квартиры, чертеж механизма или схемы с сохранением их качеств: можно поворачивать изображения, со­вмещать их, изменять угол зрения, совершать другие манипуляции. При этом использу­ются некоторые математические основы векторной графики. Даже достаточно сложные композиции, содержащие тысячи объектов, расходуют лишь десятки и сотни Кбайт па­мяти. Векторная графика мало пригодна для создания художественных изображений и обычно применяется в оформительских, чертежных, проектно-конструкторских работах, системах автоматизированного проектирования (например, архитектурного проектирова­ния) и аналогичных приложениях.

Фрактальная графика, как и векторная, также вычисляемая, но в ней в памяти ком­пьютера не сохраняются никакие объекты, а хранятся лишь их формулы. Изображение строится согласно уравнению или системе уравнений. Меняя коэффициенты (параметры) уравнений, можно получить другое изображение. Характерная особенность фрактальной графики — наследование свойств. Например, фрактальный треугольник (точнее, его фор­мулы) — простейший фрактальный объект. Можно построить треугольник другого раз­мера с сохранением свойств исходного (например, равносторонний треугольник). Таким путем можно строить изображения необычного вида: декоративные узоры, орнаменты, имеющие очертания снежинок, кристаллов, листьев, сложных геометрических фигур.

Трехмерная графика широко применяется в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, моделирование физических процессов и технических объек­тов, а также в обучающих системах и «индустрии развлечений» (игр). Для создания мо­дели трехмерного объекта используются геометрические примитивы (куб, параллелепи­пед, шар, эллипсоид, конус и др.) и гладкие поверхности, описываемые кусочно-гладкими бикубическими полиномами. Вид поверхности задается сеткой расположенных в про­странстве опорных точек. Участки поверхности между опорными точками - границы объ­екта, которые обладают различными свойствами и могут быть гладкими, шероховатыми, прозрачными, непрозрачными, зеркальными и т.п. В соответствии с этими свойствами по­верхности закрашиваются тем или иным способом. Движение объектов и анимация вос­производятся движением геометрических примитивов и опорных точек по заданным за­конам. Для построения трехмерных изображений и анимации используется достаточно сложное алгоритмическое и программное обеспечение.

Цветность изображения характеризуется цветовой моделью и цветовым разрешением. Под цветовой моделью понимают способ разделения цвета на основные цвета. В наиболее простой цветовой модели, используемой в мониторах и цветных телевизорах, любой цвет считается состоящим из трех основных компонент: красного, зеленого и синего цветов, смешанных в определенной пропорции. Совмещение трех основных компонент в равной пропорции дает белый цвет. В такой модели цвет ячейки растра можно изобразить векто­ром, исходящим из начала координат в пространстве трех основных цветов. При этом проекции вектора дают относительный вклад основных цветов, а его модуль - интенсив­ность цвета. К трем основным цветам обычно добавляют для удобства еще черный цвет (цвет экрана). Имеются и другие цветовые модели.

Под цветовым разрешением, которое называется также глубиной цвета, понимается метод кодирования цветовой информации. И от него зависит, сколько цветов на экране может воспроизводиться одновременно. Таблица данных, в которой хранится информация о том, каким кодом закодирован тот или иной цвет, называется цветовой палитрой. Если на кодирование цвета отводится 1 бит информации, изображение будет двухцветным (черно-белым); один байт информации позволяет закодировать 256 цветов, два байта — 65536 цветов ( так называемый режим High Color), три байта — около 16,5 млн. цветов (режим, называемый True Color). В последнем случае для кодирования каждого из трех основных цветов отводится один байт информации. При работе во всемирной сети Internet используется так называемая «безопасная палитра», содержащая всего 216 цветов и же­стко задающая их коды , а поэтому пригодная для любых компьютеров, подключенных к сети, в том числе не совместимых с IBM PC.