Компьютерная графика

Компьютерная графика

11.06.21

Виды компьютерной графики

• Растровое   изображение  — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей на компьютерном мониторе или цветовых точек на бумаге и материалах
• Векторная графика — это изображение, которое строится по указанным координатам, которые были заданы в векторной программе. Это простые геометрические объекты: линии, точки, кривые, круги и т.д.
• Фрактальная графика — математическое множество, обладающее свойством самоподобия, то есть однородности в различных шкалах измерения (любая часть фрактала подобна всему множеству целиком)
• 3D графика — это особый вид компьютерной графики – комплекс методов и инструментов, применяемых для создания изображений 3д-объектов (трехмерных объектов)

Растровая графика

• Применяется при разработке электронных и полиграфических изданий
• Большинство редакторов ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку
• В Интернете применяются только растровые иллюстрации

Основным элементом растрового изображения является точка

• Разрешение изображения выражает количество точек в единице длины ( dpi – количество точек на дюйм)
• Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем

Пиксел (пиксель) -

(от англ. picture element – элемент картинки) – наименьший элемент растрового изображения.

В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета). Каждая точка экрана может иметь лишь два состояния – «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (бит на точку 4, 8, 16, 24). Каждый цвет можно рассматривать как возможные состояния точки, и тогда по формуле N=2 I может быть вычислено количество цветов отображаемых на экране монитора.

Глубина цвета I

4

Количество отображаемых цветов N

8

2 4 =16

2 8 =256

16 ( High Color)

24 (True Color)

2 16 =65 536

2 24 =16 777 216

Изображение может иметь различный размер, которое определяется количеством точек по горизонтали и вертикали.

М

Пиксель

N

Растр M x N (графическая сетка)

Растр -

(от англ. raster ) – представление изображения в виде двумерного массива точек (пикселов), упорядоченных в ряды и столбцы

В современных ПК обычно используются 4 основных размера изображения или разрешающих способностей экрана: 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024 пикселя.

Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной (интенсивностью) цвета.

Полная информация о всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения .

Основные проблемы при работе с растровой графикой

• Большие объемы данных. Для обработки растровых изображений требуются высокопроизводительные компьютеры
• Увеличение изображения приводит к эффекту пикселизации, иллюстрация искажается

Простые растровые картинки занимают небольшой объём памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества часто требуют несколько мегабайт. Например, если размер графической сетки — 1240 х 1024, а количество используемых цветов — 16777216, то объём растрового файла составляет около 4 Мб, так как информация о цвете видеопикселей в файле занимает:

1240 х 1024 х 24 = 30474240 бит или 30474240 бит : 8 = 3809280 байт или 3809280 байт : 1024 = 3720 Кб или 3720 Кб : 1024 = 3,63 Мб.

• Один из способ решения проблемы объема растрового изображения заключается в сжатии графических файлов, т. е. использовании программ, уменьшающих размеры файлов растровой графики за счет изменения способа организации данных. Существует несколько способов сжатия графических данных. В простейшем из них последовательность повторяющихся величин (в нашем случае — набор бит для представления видеопикселей ) заменяется парой — единственной величиной и количеством её повторений. На рис. показано, как подобным образом может быть сжата одна строка чёрно-белого растрового рисунка.

Такой метод сжатия лучше всего работает с изображениями, которые содержат большие области однотонной закраски, но намного хуже с его помощью сжимаются фотографии, так как в них почти нет длинных строк из одинаковых пикселей. Сильно насыщенные узорами изображения хорошо сжимаются методом LZ W (назван так по первым буквам фамилий его разработчиков — Lempel , Ziv и Welch ). Объединённая группа экспертов по фотографии ( Joint Photographic Experts Group ) предложила метод JPEG для сжатия изображений фотографического качества.

Форматы файлов растровой графики

.bmp

Bitmap. Стандартный формат Windows. Большой размер файлов из-за отсутствия сжатия изображения.

.jpg

. jpeg

Joint Photographic Experts Group . Предназначен для хранения многоцветных изображений (фотографий). Отличается огромной степенью сжатия за счет потери информации. Степень сжатия можно регулировать.

.gif

Самый «плотный». Фиксированное количество цветов (256). Позволяет создавать прозрачность фона и анимацию изображения

Форматы файлов растровой графики

.tif

Tagged Image File Format. Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества. Неплохая степень сжатия. Возможность наложения аннотаций и примечаний.

.psd

…

Photo Shop Document. Позволяет запоминать параметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества масок. Большой объем файлов.

Векторная графика

• Предназначена для создания иллюстраций с применением шрифтов и простейших геометрических объектов

• В векторной графике изображения строятся из простых объектов — прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей) и т. п., называемых примитивами. Из простых векторных объектов создаются различные рисунки

• Комбинируя векторные объекты-примитивы и используя закраску различными цветами, можно получить и более интересные иллюстрации

Векторные примитивы задаются с помощью описаний. Например:

рисовать линию от точки А до точки В;

рисовать эллипс, ограниченный заданным прямоугольником.

Для компьютера подобные описания представляются в виде команд, каждая из которых определяет некоторую функцию и соответствующие ей параметры. Символические команды для приведённых выше примеров описаний в векторном формате WMF (Windows Metafile) записываются так:

MOVETO XI , Y1 Установить текущую позицию (XI , Y 1).LINETO X2, Y2 Нарисовать линию от текущей позиции до позиции (X 2, Y 2). ELLIPSE X3 , Y3 , X4, Y4 Нарисовать эллипс, ограниченный прямоугольником, где (ХЗ, Y3) — координаты левого верхнего, а (Х4, Y4) — правого нижнего угла этого прямоугольника. Информация о цвете объекта сохраняется как часть его описания, т. е. в виде векторной команды (сравните: для растровых изображений хранится информация о цвете каждого видеопикселя ).

Векторные команды сообщают устройству вывода о том, что необходимо нарисовать объект, используя максимально возможное число элементов (видеопикселей или точек). Чем больше элементов используется устройством вывода для создания объекта, тем лучше этот объект выглядит.

Кто же составляет последовательность векторных команд?

Для получения векторных изображений, как правило, используются программы иллюстративной графики (CorelDraw, Adobe Illustrator, Macromedia Freehand), которые широко применяются в области дизайна, технического рисования, а также для оформительских работ. Эти векторные программы предоставляют в распоряжение пользователя набор инструментов и команд, с помощью которых создаются рисунки. Одновременно с процессом рисования специальное программное обеспечение формирует векторные команды, соответствующие объектам, из которых строится рисунок.

Вероятнее всего, что пользователь такой программы никогда не увидит векторных команд. Однако знания о том, как описываются векторные рисунки, помогают понять достоинства и недостатки векторной графики.

Файлы векторной графики могут содержать

растровые изображения в качестве одного из типов объектов

Достоинства векторной графики

1. Векторные рисунки, состоящие из тысяч примитивов, занимают память, объём которой не превышает нескольких сотен килобайт. Аналогичный растровый рисунок требует памяти в 10-1000 раз больше. Таким образом, векторные изображения занимают относительно небольшой объём памяти.

2. Векторные объекты задаются с помощью описаний. Поэтому, чтобы изменить размер векторного рисунка, нужно исправить его описание. Например, для увеличения или уменьшения эллипса достаточно изменить координаты левого верхнего и правого нижнего угла прямоугольника, ограничивающего этот эллипс. И снова для рисования объекта будет использоваться максимально возможное число элементов (точек). Следовательно, векторные изображения могут быть легко масштабированы без потери качества.

Замечание. В ряде случаев возможно преобразование растровых изображений в векторные . Этот процесс называется трассировкой. Программа трассировки растровых изображений отыскивает группы пикселей с одинаковым цветом, а затем создаёт соответствующие им векторные объекты. Однако получаемые результаты чаще всего нуждаются в дополнительной обработке.

Сложные объекты векторной графики при увеличении можно рассматривать более подробно

Недостатки векторной графики

• Прямые линии, окружности, эллипсы и дуги являются основными компонентами векторных рисунков. Поэтому до недавнего времени векторная графика использовалась для построения чертежей, диаграмм, графиков, а также для создания технических иллюстраций. С развитием компьютерных технологий ситуация несколько изменилась: сегодняшние векторные изображения по качеству приближаются к реалистическим. Однако векторная графика не позволяет получать изображений фотографического качества. Дело в том, что фотография — мозаика с очень сложным распределением цветов и яркостей пикселей и представление такой мозаики в виде совокупности векторных примитивов — достаточно сложная задача.

2. Векторные изображения описываются десятками, а иногда и тысячами команд. В процессе печати эти команды передаются устройству вывода (например, лазерному принтеру). При этом может случиться так, что на бумаге изображение будет выглядеть совсем иначе, чем хотелось пользователю, или вообще не распечатается. Дело в том, что принтеры содержат свои собственные процессоры, которые интерпретируют переданные им команды. Поэтому сначала нужно проверить, понимает ли принтер векторные команды данного стандарта, напечатав какой-нибудь простой векторный рисунок. После успешного завершения его печати можно уже печатать сложное изображение. Если же принтер не может распознать какой-либо примитив, то следует заменить его другим — похожим, но понятным принтеру. Таким образом, векторные изображения иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы.

Фрактальная графика

• Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях
• Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, изображение строится исключительно по уравнениям

История

Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика появились в конце 70-х. Слово "фрактал" образовано от латинского fractus и в переводе означает "состоящий из фрагментов". Оно было предложено математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 г. для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался.

Применение

Фрактальная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Фрактальная графика незаменима при создании изображений облаков, гор, водных и других поверхностей очень напоминающих природные неевклидовые поверхности. Достаточно широко фрактальные изображения используются для оформления рекламных листовок, дискотек и веб-сайтов, методами фрактальной графики часто моделируют турбулентные потоки и создают различные узоры. Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся перспективных видов компьютерной графики.

Программы по созданию фрактальных изображений:

- Art Dabbler

- Fractal Explorer

- Chaos Pro

- Apophysis

- Mystica

Сравнительная характеристика растровой и векторной графики

Характеристики

Растровая графика

Элементарный объект

Векторная графика

пиксель (точка)

Изображение

совокупность точек (матрица)

контур и внутренняя область

Фотографическое качество

совокупность объектов

да

Объем памяти

очень большой

Масштабирование и вращение

нет

относительно небольшой

нежелательно

Группировка и разгруппировка

нет

да

Форматы

да

BMP, GIF, JPG, PCX, TIF

WMF, EPS, DXF, CGM

Области применения

Векторная графика

Растровая графика

• При разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий
• В Интернете

Вывод :

Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

• В рекламных агентствах
• В дизайнерских бюро
• В редакциях и издательствах

Вывод :

Большинство векторных редакторов предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. В оформительских работах, основанных на применении шрифтов и простейших геометрических элементов.

Письменно ответить на вопросы (тетрадь сдать):

1. В чём состоит принцип растровой графики?

2. Что обозначает понятие пиксель?

3. Почему растровая графика эффективно представляет изображения фотографического качества?

4. Почему для хранения растровых изображений требуется большой объём памяти?

5. Почему растровое изображение искажается при масштабировании?

6. Как хранится описание векторных изображений?

7. Кто составляет последовательность векторных команд?

8. Почему векторные изображения могут быть легко масштабированы без потери качества?

9. Почему векторная графика не позволяет получать изображений фотографического качества?

10. Для решения каких задач используются растровые программы?

11. Почему векторные программы называют программами рисования?

12. Почему в растровых и векторных программах выделение фрагментов изображения выполняется по-разному?

13. Какие программы предоставляют возможность улучшать резкость изображения, осветлять или затемнять отдельные его фрагменты?