Векторная и растровая графика. Графические средства обработки информации

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. 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. При масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек   [2, стр. 173].

 1.2. Векторная графика.

           Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике – линия. 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.

Математические  основы векторной графики. Рассмотрим подробнее способы представления различных объектов в векторной графике.

           Точка. Этот объект на плоскости представляется двумя числами (х,у), указывающими его положение относительно начала координат. 

 Прямая линия. Ей соответствует уравнение у=kx+b. Указав параметры k и b, всегда можно отобразить бесконечную прямую линию в известной системе координат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров.

Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует для описания еще двух параметров – например, координат х1 и х2 начала и конца отрезка.

Кривая второго  порядка. К этому классу кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии, уравнения которых содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка не имеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривых второго порядка.

         Таким образом, для описания бесконечной кривой второго порядка достаточно пяти параметров. Если требуется построить отрезок кривой, понадобятся еще два параметра.

Кривая третьего порядка. Отличие этих кривых от кривых второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Имеет точку перегиба в начале координат. Именно эта особенность позволяет сделать кривые третьего порядка основой отображения природных объектов в векторном графике. Например линии изгиба человеческого тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второго порядка, как и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.

Таким образом, кривая третьего порядка описывается девятью  параметрами. Описание ее отрезка потребует  на два параметра больше.

Кривые  Безье. Это особый, упрощенный вид  кривых третьего порядка. Метод построения кривой Безье основан на использовании  пары касательных, проведенных к  отрезку линии в ее окончаниях. Отрезки кривых Безье описываются  восемью параметрами, поэтому работать с ними удобнее. На форму линии  влияет угол наклона касательной  и длина ее отрезка. Таким образом, касательные играют роль виртуальных  «рычагов», с помощью которых  управляют кривой  [3, стр.  254].

§ 2. Средства для работы с растровой графикой.

2.1. Программные  средства создания растровых  изображений.   

Среди программ, предназначенных  для создания компьютерной двумерной  живописи, самыми популярными считаются  Painter компании Fractal Design,  FreeHand компании Macromedia, и Fauve Matisse. Пакет обладает достаточно широким спектром средств рисования и работы с цветом. В частности, он моделирует различные инструменты ( кисти, карандаш, перо, уголь, аэрограф и др.), позволяет имитировать материалы (акварель, масло, тушь), а так же добиться эффекта натуральной среды. В свою очередь, последние версии программы FreeHand обладают богатыми средствами редактирования изображений и текста, содержит библиотеку спецэффектов и набор инструментов для работы с цветом, в том числе средства многоцветной градиентной заливки.

Среди программ для создания изображений на платформеMacintosh стоит отметить пакет для редактирования растровой живописи и изображений PixelPaint Pro компании Pixel Resources.

Среди программ компьютерной живописи для графических станций  Silicon Graphics (SGI) особое место занимает пакет StudioPaint 3D компании Alias Wavefront, который позволяет рисовать различными инструментами («кистями») в режиме реального времени прямо на трехмерных моделях. Пакет работает с неограниченным количеством слоев изображения и представляет 30 уровней отмены предыдущего действия (undo), включает операции цветокоррекции и «сплайновые кисти», «мазок» которых можно редактировать по точкам как сплайновую кривую. StudioPaint 3D, поддерживает планшет с чувствительным пером, что дает возможность художнику сделать традиционный эскиз от руки, а затем позволяет перенести рисунок в трехмерные пакеты для моделирования или анимации и построить по эскизу трехмерную модель [4, стр.  59]

2.2. Аппаратные  средства получения растровых  изображений.    

К аппаратным средствам получения  цифровых растровых оригиналов в  основном относятся сканеры и  цифровые фотокамеры. Другие устройства, например цифровые видеокамеры, адапторы захвата телевизионных кадров, в компьютерной графике играют чаще вспомогательную роль. Для создания изображений «от руки» предназначены графические планшеты, на которых рисуют специальным электронным пером.

Сканеры по способу восприятия изображения делятся на две группы: устройства с электронными фотоумножителями и устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС, английская аббревиатура CCD). Сканеры с фотоумножителями называют барабанными – внутри аппарата помещен прозрачный барабан, на который крепится оригинал (отражающий или просветный). Затем барабан начинает вращаться с большой скоростью. Сканирующая головка имеет мощный источник света с фокусированным лучом и ФЭУ, которые движутся вдоль продольной оси барабана. Отраженный или проходящий световой поток попадает на ФЭУ (обычно имеется по одному ФЭУ на каждый канал) через прецизионную зеркальную систему развертки. Накопительный ФЭУ заряд преобразуется в цифровое значение аналого-цифровым  преобразователем высокой разрядности. Так как процесс до этого момента по сути аналоговый, удается добиться очень высоких значений динамического диапазона. То есть, оригинал правильно оцифровывается и в светлых, и в темных участках. Выходное разрешение оригинала достигает 5000-6000 точек на дюйм. За совершенное качество приходится платить – барабанные сканеры чрезвычайно дорогостоящи и требовательны к условиям эксплуатации.

Прочие сканеры относятся  к устройствам на ПЗС. В отличие  от ФЭУ, приборы с зарядовой связью представляют собой фотоприемник, выполненный  на кремниевых элементах, объединенных в линейку. Каждый светочувствительный  элемент обладает способностью накапливать  заряды пропорционально числу попавших на него фотонов. За время экспозиции возникает матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. По вертикали развертка осуществляется передвижением либо всей линейки ПЗС с помощью шагового электродвигателя, либо перемещением оригинала. Разрешающая способность определяется числом оптических элементов на единицу длины. В устройствах бытового класса это 300-600 элементов на дюйм, профессионального – 1200-3000. Программная интерполяция оптического разрешения никакого реального повышения качества оцифровки не дает. Динамический диапазон устройства на ПЗС ниже, чем у ФЭУ, потому что кремниевые элементы имеют худшее соотношение сигнал /шум.

В высокоточных сканерах на ПЗС дополнительно применяются: система зеркальной развертки по обеим координатам с компенсацией искажений по краям оригинала, несколько линеек ПЗС, стабильные по цветовой температуре осветительные лампы, многоразрядные цифро-аналоговые преобразователи, элементы, выполненные на CMOS-пластинах. Такие устройства по качеству оцифровки приближаются к барабанным сканерам, а по стоимости значительно доступнее.

Конструктивно барабанные сканеры  выполняют с вертикальным или  горизонтальным барабаном, съемным  или несъемным. Сканеры на ПЗС  бывают листовые, планшетные, проекционные, ручные и так называемые слайдовые (для сканирования оригиналов «на  просвет»).

Для целей компьютерной графики  важно не столько разрешение сканера (оно может не превышать 300 dri), сколько хороший динамический диапазон. Для сканирования в отраженном свете желательно иметь динамический диапазон не ниже 2, «на просвет» - не ниже 3,5

Основой цифровых фотокамер  служит матрица ПЗС, состоящая из двумерного массива элементов. Для  целей электронной публикации и  непрофессионального применения достаточное  число элементов на матрице около 1,5 миллионов. Полупрофессиональные камеры должны иметь разрешение матрицы не ниже 2 миллионов элементов, профессиональные аппараты –2,5-3 миллиона. Оцифрованные с их помощью изображения можно использовать для подготовки полиграфических публикаций. Оптическая система цифровых камер профессионального класса должна обеспечивать разрешение не ниже 110-120 пар линий на дюйм.

Графические планшеты представляют собой координатную двумерную электронную  сетку, каждый элемент которой способен воспринимать и передавать ряд сигналов от электронного пера. К таковым  сигналам относятся: координаты точки  контакта пера с планшетом, сила нажима, угол наклона, скорость прохода (то есть время экспозиции) и ряд других. Затем за счет программного преобразования полученные данные отображаются на экране в виде линий, мазков и других художественных средств создания изображений. Обладая  достаточным навыком работы с  графическим планшетом, удается  очень точно имитировать различную  живописную технику – письмо маслом, рисунок углем, аэрографом, карандашом и т.д.  [5,   стр. 64]

         2.3. Программа обработки растровой графики Adobe Photoshop.

В обширном классе программ для обработки растровой графики  особое место занимает пакет Photoshop компании Adоbe. Сегодня он является стандартом в компьютерной графике, и все другие программы неизменно сравнивают именно с ним.

Главные элементы управления программы сосредоточены в строке меню и панели инструментов. Особую группу составляют диалоговые окна –  инструментальные палитры.

Первичное получение оригинала  происходит либо через меню Файл командой Открыть, либо командой Импорт. Импортом называют получение изображения от внешнего источника – сканера, цифровой фотокамеры. Связь графического редактора с внешними устройствами обеспечивается через программный интерфейс TWAIN, устанавливающий стандарт на параметры обмена данными с источниками изображений.

Прежде чем начать операции с оригиналом изображения, следует  уяснить его параметры. Для этого  командой Изображение стрелка Размер изображения открывают диалоговое окно Размер изображения. В группах  Размерность и Размер печатного  оттиска приведены ширина и высота оригинала в пикселях и сантиметрах  соответственно, а также разрешение ( в пикселях на дюйм – ppi). От установленных значений зависят размер и качество изображения. Для целей электронной публикации лучше установить разрешение 72 ppi, для последующей распечатки выбирают разрешение.

Панель инструментов является одним из основных средств для работы с изображениями. Большинство инструментов, представленных на панели, имеют альтернативные варианты. Их значки подмечены маленькими треугольником (разворачивающая кнопка). Если при нажатой кнопке мыши задержать указатель на таком значке, откроется линейка значков с вариантами инструмента.

Для работы с объектами  предназначена группа значков, объединяющая инструменты Область, Лассо, Перемещение, Волшебная палочка. Инструментами  Область и Лассо выделяют участок  изображения, ограниченный геометрической фигурой. Инструмент Волшебная палочка  осуществляет выборку области по принципу цветового (или ахроматического) совпадения в рамках границ охвата, установленных обводки контуров объектов на изображении. Инструментом Перемещение передвигают выделенные области и копируют их.

Следующая группа инструментов предназначена для рисования  и ретуши. Она включает Аэрограф, Кисть, Карандаш, Ластик, Штамп, Палей и обособленные инструменты для ретуши – Осветлитель, Затемнитель, Губка, Размытие, Резкость. Первые четыре инструмента имитируют работу своих реальных собратьев. Инструмент Штамп позволяет выполнить набивку – копирование выбранных участков изображения по каждому щелчку мыши. Инструмент Палец имитирует сдвиг сырой краски (размывку) – прием, используемой художниками при письме маслом, гуашью, тушью. Инструменты с альтернативным выбором Резкость/Размывка позволяют изменять эти параметры на отдельных участках изображения, а инструменты Осветлитель/Затемнитель/Губка служат для местной коррекции яркости и цветовой насыщенности.

Третья группа инструментов (Перо, Текст, Линия, Заливка, Градиент, Пипетка) предназначена для создания новых объектов. Перо (и альтернативные инструменты) позволяет рисовать плавные криволинейные контуры. Инструментом Текст выполняют надписи. Инструмент Линия служит для рисования отрезков прямых. С помощью инструментов Заливки и Градиент выполняют заполнение выделенных участков изображения одним цветом, либо с плавным переходом между цветами. Инструмент Пипетка служит для точного определения цвета в любой точке изображения и принятия его как образца для инструментов панели.