Основы компьтерной графики

                                                              Введение

Компью́терная гра́фика (также маши́нная гра́фика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

В зависимости  от способа формирования изображений  компьютерную графику принято подразделять на  растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.

На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации. Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию. Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области.

К основным сферам применения технологий компьютерной графики  относятся:

Графический интерфейс  пользователя;

Спецэффекты, Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография;

Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;

Цифровая фотография и существенно возросшие возможности  по обработке фотографий;

Цифровая живопись;

Визуализация  научных и деловых данных;

Компьютерные  игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);

Системы автоматизированного  проектирования;

Компьютерная  томография.

Компьютерная  графика для кино и телевидения

Лазерная графика

Современное применение компьютерной графики очень разнообразно. Для каждого направления создается  специальное программное обеспечение, которое называют графическими программами, или графическими пакетами.

Научная графика. Это направление появилось самым  первым. Назначение — визуализация (наглядное изображение) объектов научных исследований.

Деловая графика. Назначение — представление в  графическом виде закономерностей  изменения числовых данных (диаграммы, графики и т.д.).

Конструкторская графика. Используется в работе инженеров-конструкторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом систем автоматизации  проектирования (САПР). Графика в  сочетании с расчетами позволяет  проводить в наглядной форме  поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым  могут привести изменения в конструкции. Средствами конструкторской графики  можно получать плоские изображения (проекции, сечения) и пространственные, трехмерные, изображения.

Иллюстративная  графика. Программные средства иллюстративной графики позволяют человеку использовать компьютер для произвольного  рисования. Пакеты иллюстративной графики  не имеют какой-то производственной направленности. Поэтому они относятся  к прикладному программному обеспечению  общего назначения. Простейшие программные  средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная  и рекламная графика. Это сравнительно новая отрасль, но уже ставшая  популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются  рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео-уроки, видеопрезентации и многое другое. Получение движущихся изображений на ЭВМ называется компьютерной анимацией. Слово «анимация» обозначает «оживление» (от английского animal — животное).

1. Виды компьютерной графики.

Векторная графика. Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в  векторном формате даёт простор  для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция).

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить  как набор из примитивов. Такой  способ представления хорош для  схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень  широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Растровая графика

 Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов. Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается «красивым» видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями. В растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

Для растровых  изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует  различать: 

·     разрешение оригинала;

·     разрешение экранного изображения;

·     разрешение печатного изображения.

Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в  точках на дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

Разрешение экранного  изображения.  Для экранных копий  изображения элементарную точку  растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в  зависимости от выбранного экранного  разрешения (из диапазона стандартных  значений), разрешение оригинала и  масштаб отображения. Мониторы для обработки изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм. Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования. Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.

Размер точки  растра рассчитывается для каждого  элемента и зависит от интенсивности  тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется  элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят  о 100% заполняемости. Для абсолютно  белого цвета значение заполняемости  составит 0%. На практике заполняемость  элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно  черному цвету. Иллюзия более  темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между  ними при одинаковом расстоянии между  центрами элементов растра. Такой  метод называют растрированием с  амплитудной модуляцией (AM). Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек. При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов. Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100 Ipi, для газетного производства – 65-85 lpi, для книжно-журнального – 85-133 lpi, для художественных и рекламных работ – 133-300 lpi. При печати изображений с наложением растров друг на друга, например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Традиционными для цветной печати считаются углы поворота: 105 градусов для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже недостаточно разрешения 16х150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса принято минимальное стандартное разрешение 2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку на угол поворота растра, для цветных изображений составляет 1,06. Динамический диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания (для оригиналов, рассматриваемых “на просвет”, например слайдов) или коэффициенту отражения (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков). Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диапазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия. Связь между параметрами изображения и размером файла. Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего промотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.

Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики  является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (рис.4). Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек. 

Векторная графика

Ве́кторная гра́фика — способ представления объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании геометрических примитивов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники. Термин используется в противоположность к растровой графике, которая представляет изображение как матрицу фиксированного размера, состоящую из точек (пикселей) со своими параметрами.

Если в растровой  графике базовым элементом изображения  является точка, то в векторной графике  – линия. Линия описывается математически  как единый объект, и потому объем  данных для отображения объекта  средствами векторной графики существенно  меньше, чем в растровой графике.

Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно, представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

Преимущества  векторного способа  описания графики  над растровой  графикой

Размер, занимаемой описательной частью, не зависит от реальной величины объекта, что позволяет, используя минимальное количество информации, описать сколько угодно большой объект файлом минимального размера.