Представление графической информации. Графические примитивы. Форматы графических файлов.

Виды графики

Впервые представление данных в графическом виде было реализовано в середине 50-х годов ХХ века для больших ЭВМ, которые применялись в научных и военных исследованиях. Особенно интенсивно технология обработки графической информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах.

В настоящее время графический интерфейс пользователя стал стандартом для программного обеспечения персональных компьютеров Вероятно, это связано со свойством человеческой психики: наглядность способствует более быстрому пониманию.

Широкое применение получила специальная область информатики - компьютерная графика Компьютерная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности и восприятия, передачи информации. Применяется в медицине, рекламном бизнесе, индустрии развлечений и т. д.

Графику принято подразделять на несколько видов в зависимости от способа формирования изображений. На особенности специализации графики в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и другие.

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику подразделяют: Растровая графика. Векторная графика. Трехмерная графика. Фрактальная графика. Символьная графика (устарела и на сегодняшний день практически не используется)

Сравнительная характеристика Растровое изображение Векторное изображение Трехмерное изображение Фрактальное изображение Кодирование изображений Применение Масштабирование Реалистичность Программные продукты Аналоги Форматы Преимущества Недостатки

Растровое изображение Растровое изображение составляется из мельчайших точек (пикселов) – цветных квадратиков одинакового размера. Растровое изображение подобно мозаике - когда приближаете (увеличиваете) его, то видите отдельные пиксели, а если удаляете (уменьшаете), пиксели сливаются. Компьютер хранит параметры каждой точки изображения (её цвет, координаты). Причём каждая точка представляется определенным количеством бит (в зависимости от глубины цвета). При открытии файла программа прорисовывает такую картину как мозаику – как последовательность точек массива.

Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят для фотографий, картин и в других случаях, когда требуется максимальная "естественность". Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе.

Растровое изображение формируется из определенного количеств строк, каждая из которых содержит определенное количество точек (пикселов)

Например, изображение листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки, что создает изображение примерно также, как в мозаике

Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Разрешающая способность монитора определяется максимальным количеством отдельных точек, которые он может генерировать. Она измеряется числом точек в одной горизонтальной строке и числом горизонтальных строк по вертикали.

Глубина цвета - сколько битов отведено на хранение цвета каждой точки: - в черно-белом - 1 бит - в полутоновом - 8 бит - в цветном - 24 (32) бита на каждую точку. Растровые файлы имеют сравнительно большой размер, т.к. компьютер хранит параметры всех точек изображения. Поэтому размер файла зависит от параметров точек и их количества: от глубины цвета точек, от размера изображения (в большем размере вмещается больше точек), от разрешения изображения (при большем разрешении на единицу площади изображения приходится больше точек).

Объем растрового изображения определяется умножением количества точек на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов.

Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселов имеющих только два возможных цвета черный и белый Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен 1 биту, т.к. она может быть либо черной, либо белой, что можно закодировать двумя цифрами - 0 или 1.

Растровая сетка 10×10 с изображением буквы К Для кодирования изображения на таком экране требуется 100 бит (1бит на пиксель)видеопамяти Содержимое видеопамяти в виде битовой матрицы будет иметь вид: 1

Чтобы увеличить изображение, приходится увеличивать размер пикселей-квадратиков. В итоге изображение получается ступенчатым, зернистым. Для уменьшения изображения приходится несколько соседних точек преобразовывать в одну или выбрасывать лишние точки. В результате изображение искажается: его мелкие детали становятся неразборчивыми (или могут вообще исчезнуть), картинка теряет четкость. Другими словами, растровое изображение масштабируется с потерей качества. Исходное изображениеФрагмент увеличенного изображения

Увеличение растрового (тонового) изображения

Одной из главных проблем растровых файлов является масштабирование : при существенном увеличении изображения появляется зернистость, ступенчатость Растровое изображение и его увеличенная копия

Оригинал Увеличенный фрагмент для показа массива точек

При большом уменьшении существенно снижается количество точек, поэтому исчезают наиболее мелкие детали, происходит потеря четкости.

Плавность изменения цвета в малых фрагментах

Программы для работы с растровой графикой: Paint Microsoft Photo Editor Adobe Photo Shop Fractal Design Painter Micrografx Picture Publisher Близкими аналогами являются живопись, фотография

Применение: для обработки изображений, требующей высокой точности передачи оттенков цветов и плавного перетекания полутонов. Например, для: ретуширования, реставрирования фотографий; создания и обработки фотомонтажа, коллажей; применения к изображениям различных спецэффектов; после сканирования изображения получаются в растровом виде

Векторное изображение 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. Компьютер хранит элементы изображения (линии, кривые, фигуры) в виде математических формул. При открытии файла программа прорисовывает элементы изображения по их математическим формулам (уравнениям).

Векторное изображение рассматривается как графический объект, представляющий собой совокупность графических примитивов (точек, линий, прямоугольников, окружностей и т.д.) и описывающих их математических формул. Положение и форма графического объекта задается в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана 0

Например: графический примитив точка задаётся своими координатами (Х, У); линия - координатами начала (Х1,У1) и конца (Х2,У2); прямоугольник – координатами диагонали (Х1, У1) (Х2, У2); окружность - координатами центра (Х, У) и радиусом (R) и т.д. Кроме того, для каждой линии указывается ее тип (сплошная, пунктирная), толщина и цвет. X 0 A (x1,y1) B (x2,y2) O (x,y) R y B (x2,y2) A (x1,y1) A (x,y)

Объекты векторной графики

В векторном представлении – это три линии, каждая из которых описывается координатами ее концов ЛИНИЯ (3,2) – (3,8) ЛИНИЯ (4,5) – (7,2) ЛИНИЯ (4,5) – (7,8)

ДОСТОИНСТВА ВЕКТОРНОЙ ГРАФИКИ При кодировании векторного изображения хранится не само изображение объекта, а координаты точек, используя которые программа всякий раз воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых характеристик не сильно увеличивает размер файла. Поэтому объем памяти очень мал по сравнению с точечной графикой (растровой). Объекты векторной графики легко трансформируйте ими просто манипулировать, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображении. Это возможно, так как масштабирование изображений производится с помощью простых математических операций (умножения параметров графических примитивов на коэффициент масштабирования)

В тех областях графики, где принципиальное значение имеет сохранение ясных и четких контуров, например в шрифтовых композициях, в создании фирменных знаков логотипов и пр., векторная графика незаменима. В векторном редакторе всегда есть возможность "вернуться назад": выделить любую составную часть изображения и изменить ее свойства.

Увеличение векторного изображения

Изображение может быть преобразовано в любой размер (от логотипа на визитной карточке до стенда на улице) и при этом его качество не изменится.

Векторное изображение можно расчленить на отдельные элементы (линии или фигуры), и каждый редактировать, трансформировать независимо.

Векторные файлы имеют сравнительно небольшой размер, т.к. компьютер запоминает только начальные и конечные координаты элементов изображения -этого достаточно для описания элементов в виде математических формул. Размер файла как правило не зависит от размера изображаемых объектов, но зависит от сложности изображения: количества объектов на одном рисунке (при большем их числе компьютер должен хранить больше формул для их построения), характера заливки - однотонной или градиентной) и пр. Понятие «разрешение» не применимо к векторным изображениям. Векторные изображения: более схематичны, менее реалистичны, чем растровые изображения, «не фотографичны». Близкими аналогами являются слайды мультфильмов, представление математических функций на графике.

Программы для работы с векторной графикой: Corel Draw Adobe Illustrator Fractal Design Expression Macromedia Freehand AutoCAD

Применение: для создания вывесок, этикеток, логотипов, эмблем и пр. символьных изображений; для построения чертежей, диаграмм, графиков, схем; для рисованных изображений с четкими контурами, не обладающих большим спектром оттенков цветов; для моделирования объектов изображения; для создания 3-х мерных изображений;

Трехмерная графика Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и гладкость поверхности в целом.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется: спроектировать и создать виртуальный каркас ("скелет") объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме; спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные; присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне - "спроектировать текстуры на объект"); настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей; задать траектории движения объектов; рассчитать результирующую последовательность кадров; наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

У 3D-графики есть некоторые преимущества. Одно из них (наиболее очевидное), состоит в том, что вы будете работать с кривыми. В отличие от многоугольников, каждый раз, когда вы редактируете точку, кривая будет реагировать, как единое целое. Второе преимущество состоит в том, что если у вас уже есть голова, смоделированная в, например, 3D Studio Max (3d моделирование), то из нее легко можно будет сделать другую голову. Просто редактируя женскую голову, можно получить мужскую, детскую, голову старика и т.д.

Программы для работы с трехмерной графикой: 3D Studio MAX 5, AutoCAD, Компас

Применение: научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов изделия в машиностроении, видеороликах, Архитектуре. В изделиях машиностроения изображения моделируются и перемещаются в пространстве.

Фрактальная графика Фрактальная графика – одна из быстроразвивающихся и перспективных видов компьютерной графики. Математическая основа - фрактальная геометрия. Фрактал – структура, состоящая из частей, подобных целому. Одним из основных свойств является самоподобие. Фрактус – состоящий из фрагментов) Объекты называются самоподобными, когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале.

В центре находится простейший элемент – равносторонний треугольник, который получил название- фрактальный

На среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной =1/3а от стороны исходного фрактального треугольника

В свою очередь на средних отрезках сторон, являющихся объектами первого поколения строятся треугольника второго поколения1/9а от стороны исходного треугольника

Таким образом, мелкие объекты повторяют свойства всего объекта. Процесс наследования можно продолжать до бесконечности.

Полученный объект носит название – фрактальной фигуры. Абстрактные композиции можно сравнить со снежинкой, с кристаллом.

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.

Программа для работы с фрактальной графикой: Фрактальная вселенная 4.0 fracplanet Применяют графику: Математики, Художники