Компьютерная графика

Системы CAD/CAM используются сегодня  в различных областях инженерной конструкторской деятельности от проектирования микросхем до создания самолетов. Ведущие  инженерные и производственные компании, такие как Boeing, в конечном счете двигаются к полностью цифровому представлению конструкции самолетов.

Архитектура является другой важной областью применения для CAD/CAM и  совсем недавно созданных систем класса walkthrough (прогулки вокруг проектируемого объекта с целью его изучения и оценки). Такие фирмы, как McDonald's, уже с 1987 года используют машинную графику для архитектурного дизайна, размещения посадочных мест, планирования помещений и проектирования кухонного оборудования. Есть ряд эффектных применений векторной графики в области проектирования стадионов и дизайна спортивного инвентаря, новый парк в Балтиморе[40].

Медицина стала весьма привлекательной сферой применения компьютерной графики, например: автоматизированное проектирование инплантантов, особенно для костей и суставов, позволяет минимизировать необходимость внесения изменений в течение операции, что сокращает время пребывания на операционном столе (очень желательный результат как для пациента, так и врача). Анатомические векторные модели также используются в медицинских исследованиях и в хирургической практике.

Научные лаборатории продолжают генерировать новые идеи в области  визуализации. Задача сообщества компьютерной графики состоит в создании удобных  инструментов и эффективных технологий, позволяющих пользователям продолжать научные изыскания за границей возможного и безопасного эксперимента. Например ,проект виртуального туннеля NASA Ames Research Center переносит аэродинамические данные в мир виртуальной реальности, интерес к которой значительно вырос в девяностые годы. NASA Ames было одним из пионеров в использовании и развитии технологий погружения людей в мнимую реальность. Специалисты NASA занимались разработкой специальных шлемов и дисплеев, трехмерных аудиоустройств, уникальных устройств ввода для оператора и созданием соответствующего программного обеспечения. Возник ряд компаний, занимающихся виртуальной реальностью, например: Fakespace, Cristal River Engineering и Telepresence Research.[39]

Все эти инженерные и научные  применения убеждают, что индустрия  машинной графики начала обеспечивать пользователей новой технологией, при которой они действительно  уже не заботятся о том, как  формируется изображение - им важен  результат.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная  графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео-уроки, видео-презентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Искусство, развлечения и бизнес

Согласно проведенным  мною исследованиям, вплоть до начала девяностых годов доходы от использования  векторной графики в научно-инженерных приложениях были значительно выше, чем доходы в области бизнеса  и других областях, непосредственно  не связанных с наукой. Однако в 1991 году доходы были поделены в равной степени, а баланс теперь устойчиво  сдвигается в сторону нетехнических  приложений. Я считаю, что к 1998 году около двух третей всех доходов от компьютерной графики поступит именно из нетехнических областей применения. Некоторые из этих применений получили настолько широкое распространение, что возникли споры, насколько они действительно являются машинной графикой. Например, мультимедиа воспринимают отдельно от машинной графики, что, однако, не так, вследствие явного доминирования графических изображений.

"Классическая" векторная  графика до сих пор используется  в различных приложениях бизнеса,  включая разработку концепции,  тестирование и создание новых  продуктов, но бизнес также  стал лидирующим потребителем  систем мультимедиа, например, в  обучении или маркетинговых презентациях. Графика все шире проникает  в бизнес - сегодня фактически  нет документов, созданных без  использования какого-либо графического  элемента. Соответствующее программное  обеспечение специально разработано,  чтобы позволить пользователям  сконцентрироваться больше на  содержании, а не на графическом  исполнении.

Грядет всплеск использования  графики в анимации, особенно в  области индустрии развлечений. Кинофильм Стивена Спилберга "Парк Юрского периода" установил в 1993 году новый стандарт фотореализма в графике. Этот фильм не единичный  случай применения 3D графики в кино, и Голливуд расширяет сферу использования специальных эффектов машинной графики, только в 1994 году выпустив несколько высокохудожественных фильмов: "The Lion King", "The Mask".

Виртуальная реальность находит  свою нишу в индустрии развлечений  и видеоиграх. Число виртуальных  галерей и развлекательных парков быстро растет. По моим оценкам 30% (то есть 144 млрд. долл.) всего дохода от использования  систем виртуальной реальности было получено в прошлом году именно от разного рода игр, и доходы от этих применений будут расти.

Лаборатория Media Lab МТИ является уникальным исследовательским центром разработки совершенных систем взаимодействия "человек-компьютер". Например, система News в проекте Future использует последние достижения в области графики, реконструкции звука и изображений, а также моделировании различных объектов для представления новых результатов исследований и их презентации в виде соответствующих текстов, графики, аудио и видео.

Компьютерная графика  стала основным интерфейсом взаимодействия человека и компьютера. Все аспекты  современной компьютерной графики (а в историческом срезе - машинной графики вообще) охватить практически  невозможно. В современном обществе компьютерную графику можно представить  себе как индустрию, в каждую из сторон своего развития включающую всё новые  и новые финансовые, научные, производственные и человеческие ресурсы. Рассмотрим лишь три условных среза многочисленных направлений компьютерной графики.[22]

Цветовые модели в компьютерной графике

Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в  пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов (Рисунок 1). Наиболее часто в компьютерной графике используются следующие модели:

Рисунок 1. Пример цветовой модели.

Аддитивные цветовые модели.

Модель RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселей экрана).

Субтрактивные цветовые модели.

Модель CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на вычитании слоем краски части падающего светового потока.

Перцепционные цветовые модели.

 Модель HLS (Hue, Lightness, Saturation - цветовой тон, светлота, насыщенность)

Модель HSV (Hue, Saturation, Value - цветовой тон, насыщенность, количество света или светлота)

Модель YCbCr - аппаратно-ориентированная модель, используемая в телевидении и служащая для сокращения передаваемой полосы частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения. [3]

Виды компьютерной графики.

Различают четыре вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика, фрактальная графика и трёхмерная графика,

В компьютерной графике объекты  существуют лишь в памяти компьютера. Они не имеют физической формы  – это не более чем совокупность математических уравнений и движение электронов в микросхемах. Поскольку  объекты, о которых идет речь, не могут существовать вне компьютера, единственным способом увидеть их является добавление новых математических уравнений.

Двумерная компьютерная графика  классифицируется по типу представления  графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.[1]

Векторная графика

Рисунок 2. Пример векторной графики.

Векторная графика  описывает изображения с использованием прямых и изогнутых линий, называемых векторами, а также параметров, описывающих  цвета и расположение. Например, изображение (Рисунок 2) описывается точками, через которые проходит линия, создавая тем самым контур. Цвет задается цветом контура и области внутри этого контура.

При редактировании элементов  векторной графики Вы изменяете  параметры прямых и изогнутых  линий, описывающих форму этих элементов. Вы можете переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это  не отразится на качестве их визуального  представления. Векторная графика  не зависит от разрешения, т.е. может  быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением  без потери качества.

Векторное представление  заключается в описании элементов  изображения математическими кривыми  с указанием их цветов и заполняемости (вспомните, круг и окружность - разные фигуры). Красный эллипс на белом фоне будет описан всего двумя математическими формулами - прямоугольника и эллипса соответствующих цветов, размеров и местоположения. Очевидно, такое описание займет значительно меньше места, чем в первом случае. Еще одно преимущество - качественное масштабирование в любую сторону. Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах. К сожалению векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла. Кроме того, перевод изображения из растрового в векторный формат (например, программой Adobe Strime Line или Corel OCR-TRACE) приводит к наследованию последним невозможности корректного масштабирования в большую сторону. От увеличения линейных размеров количество деталей или оттенков на единицу площади больше не становится. Это ограничение накладывается разрешением вводных устройств (сканеров, цифровых фотокамер и др.).

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 мультфильмом и просто роликов разного содержания [41]

 

 

 

 

Растровая графика

Рисунок 3. Пример растровой графики.

Растровая графика описывает  изображения с использованием цветных  точек, называемых пикселями, расположенных  на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением  и цветом каждой точки сетки, что  создает изображение примерно так же, как в мозаике (Рисунок 3).

При редактировании растровой  графики Вы редактируете пиксели, а  не линии. Растровая графика зависит  от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена  к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может  измениться. В частности, изменение  размеров растровой графики может  привести к "разлохмачиванию" краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Основой растрового представления  графики является пиксель (точка) с  указанием ее цвета. При описании, например, красного эллипса на белом  фоне приходится указывать цвет каждой точки как эллипса, так и фона. Изображение представляется в виде большого количества точек – чем их больше, тем визуально качественнее изображение и больше размер файла. Т.е. одна и даже картинка может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством точек на единицу длины – разрешением (обычно, точек на дюйм – dpi или пикселей на дюйм – ppi).

Кроме того, качество характеризуется  еще и количеством цветов и  оттенков, которые может принимать  каждая точка изображения. Чем большим  количеством оттенков характеризуется  изображения, тем большее количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а может и – 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем  больше размер файла.

Растровое представление  обычно используют для изображений  фотографического типа с большим  количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких  картинок в любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно  при уменьшении визуальных размеров самой картинки – т.е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.