Компьютерная графика

Достоинства растровой графики

Каждый пиксель независим  друг от друга 

Техническая реализуемость  автоматизации ввода (оцифровки) изобразительной  информации. Существует развитая система  внешних устройств для ввода изображений (к ним относятся сканеры, видеокамеры, цифровые фотокамеры, графические планшеты).

Фотореалистичность (можно  получать живописные эффекты, например, туман или дымку, добиваться тончайшей  нюансировки цвета, создавать перспективную  глубину и не резкость, размытость и т.д.)

Форматы файлов, предназначенные  для сохранения точечных изображений, являются стандартными, поэтому не имеет решающего значения, в каком графическом редакторе создано то или иное изображение.

Недостатки 

Объём файла точечной графики  однозначно определяется произведением  площади изображения на разрешение и на глубину цвета (если они приведены  к единой размерности). При этом совершенно неважно, что отображено на фотографии: белый снежный пейзаж с одиноким столбом вдалеке, или сцена рок - концерта с обилием цвета и  форм. Если три параметра одинаковы, размер файла будет практически  одинаковым.

При попытке слегка повернуть  на небольшой угол изображение, например, с чёткими тонкими вертикальными  линиями, чёткие линии превращаются в чёткие "ступеньки" (это означает, что при любых трансформациях: поворотах, наклонах и т.д. в точечной графике невозможно обойтись без  искажений).

Невозможность увеличения изображений  для рассмотрения деталей. Поскольку  изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее. Никаких дополнительных деталей  при увеличении растрового изображения  рассмотреть не удаётся. Более того, увеличение точек растра визуально  искажает иллюстрацию и делает её грубой (пикселизация). [41]

Фрактальная графика

Рисунок 4. Пример фрактальной графики.

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. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Пример (Рисунок 4).[37]

Возможности фрактальной  графики широко используются в приложениях  трёхмерной графики для создания различных эффектов и текстур.

Трёхмерная  графика (3D)

Рисунок 5. Пример 3D графики.

В наше время очень  распространена трехмерная графика (3D). На базе трехмерных векторных редакторов строятся сложнейшие сцены. Эту область, несомненно нельзя заменить ни чем другим. Как бы талантливы и усидчивы вы не были, нарисовать кистью растрового редактора изображение трехмерного объекта невозможно. Есть немало людей которые пытаются это опровергать, но это не тема для разговора. Просто нужно ценить и понимать что разные технологии компьютерной графики специализированы в разных направлениях и безвкусно смешивать их, или заменять одну другой - глупое упрямство. А вот грамотно комбинировать их можно и нужно. В эпоху современных технологий широко используются возможности компьютерной графики. Это знаменитые кинофильмы (часто отмеченные премией "Оскар"), диснеевские мультфильмы, компьютерные игры и многое другое. Кроме того, компьютерная графика положительно зарекомендовала себя на страницах различных газет и журналов. В настоящее время невозможно представить себе полиграфию без компьютерной графики. Само формирование компьютерных объектов, регулировка цветового баланса, создание любых цветовых и объемных эффектов делают изображение ярким и неповторимым.

Сцена 3D-моделей строится на пакетах трехмерного моделирования  и в последующем может визуализироваться  с любых точек просмотра в 2D-изображение. При этом есть возможность любых  изменений освещения, форм объектов, перспективных деформаций, регулировки  параметров материалов и атмосферных  эффектов компьютерной трехмерной сцены.

Можно создать не только трехмерные стандартные объекты – куб, рюмка  и т.д., но и более сложные объекты, скажем, зверюшек, а также различных персонажей.

Трёхмерная графика оперирует с объектами в трехмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трехмерной компьютерной графике  все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы. В компьютерной графике используется три вида матриц:

матрица поворота

матрица сдвига

матрица масштабирования 

Любой полигон можно представить  в виде набора из координат его  вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый, сдвинутый, промасштабированный относительно исходного.[17]

Форматы графических  файлов

Основные понятия.

Коэффициент сжатия (архивации) - доля, на которую уменьшается размер файла, содержащего исходное изображение. Коэффициент сжатия зависит как от алгоритма сжатия, так и от вида изображения (его сложности), поэтому, проводя сравнительный анализ методов сжатия, обычно дают три коэффициента сжатия: наилучший, средний и наихудший.

Симметричность - отношение какой-либо характеристики алгоритма кодирования к аналогичной характеристике при декодировании. Характеризует ресурсоемкость процессов кодирования и декодирования. Например, симметричность по времени кодирования-декодирования или симметричность по используемой памяти.

Потери качества - исчезновение из сжатого изображения части информации, которая была в исходном. Одна из серьезных проблем компьютерной графики заключается в том, что до сих пор не найден адекватный критерий оценки потерь качества изображения. А теряется оно постоянно - при оцифровке, при переводе в ограниченную палитру цветов, при переводе в другую систему цветовоспроизведения. Например, расчёт среднеквадратичного отклонения значений пикселей при понижении общей яркости изображения всего на 5% даст величину гораздо большую, чем в случае изображения со "снегом" - резким изменением цвета отдельных точек, полосами или "муаром", при этом для глаза ситуация совершенно противоположна. Лучше всего потери качества изображений оценивают наши глаза. Отличной считается архивация, при которой невозможно на глаз различить первоначальное и разархивированное изображения. Хорошей - когда сказать, какое из изображений подвергалось архивации, можно только сравнивая две находящихся рядом картинки. При дальнейшем увеличении степени сжатия, как правило, становятся заметны побочные эффекты, характерные для данного алгоритма. [25]

Растровые форматы файлов

Последовательность байтов графических данных, возможно подвергнутых сжатию. Строки изображения восстанавливаются  снизу вверх слева направо. Строки дополняются битами до 32-битной границы.

Преимущества формата  проявляются только при работе с  Microsoft Windows и ее приложениями. Алгоритмы обработки данного формата наиболее просты и понятны. Недостаток - чаще всего огромный размер получаемых файлов (так как даже простейшее сжатие обычно не используется).

Формат PCX для хранения цветных изображений.

Формат FIF (Fractal Image Format) запатентован фирмой Iterated Systems.

Формат BMP. Формат хранения растрового (bitmap) изображения.

Формат TGA (Targa). Был разработан в Truevision Inc. и AT&T для аппаратной реализации в платах оцифровки видеоизображений (Targa), широко используется в профессиональных системах компьютерной графики и видеомонтажа.

Формат GIF (Graphics Interchange Format, Формат Взаимообмена Графикой).

Формат PNG (Portable Network Graphic - переносимый сетевой формат, был разработан для замены GIF.

Формат JPEG разработан группой экспертов в области фотографии (Joint Photographic Expert Group) специально для сжатия 24-битных изображений.

Векторные форматы  файлов

DXF Формат взаимообмена чертежами.

EPS. Формат для обмена графическими данными. Его можно использовать для записи как растровой, так и векторной графики

HPGL. "Hewlett-Packard Graphics Language". Файл последовательности двумерных команд графического вывода. Был разработан и используется прежде всего для управления плоттерами и лазерными принтерами.

WMF. "Windows Meta-File". Разработан Microsoft и является неотъемлемой частью Windows, так как сохраняет последовательность аппаратно-независимых функций GDI (Graphical Device Interface), непосредственно выводящих изображение в заданный контекст графического устройства.

Форматы файлов мультимедиа

AVI. "Audio Video Interleave" - чередование аудио и видео.

MPEG это стандарт на  сжатие звуковых и видео файлов  в более удобный для загрузки  или пересылки, например через  интернет, формат.

MPEG1. По данному стандарту потоки видео и звуковых данных передаются со скоростью 1-3 Мбит в секунду управляются путем выборки ключевых видео кадров и заполнением только областей, изменяющихся между кадрами

MPEG2. также состоит из трех основных частей: системной, видео и звуковой.

MPEG4. Объекты могут быть аудио-, видео-, аудиовизуальными, графическими (плоскими и трехмерными), текстовыми.[25]

1.2.Програмное  обеспечение систем компьютерной  графики

Программные средства создания растровых изображений

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 также, как в мозаике.

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.

Среди программ, предназначенных для  создания компьютерной двумерной живописи, самыми популярными считаются  Adobe Photoshop.

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

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

Палитра Кисти управляет настройкой параметров инструментов редактирования.

Палитра Инфо обеспечивает информационную поддержку средств отображения.

Палитра Навигатор  позволяет просмотреть различные  фрагменты изображения и изменить масштаб просмотра.

Палитра Синтез отображает цветовые значения текущих цветов переднего плана и фона.

Палитра Каталог содержит набор доступных цветов. Такой  набор можно загрузить и отредактировать, добавляя и удаляя цвета.

Палитра Слои служит для  управления отображением всех слоев  изображения, начиная с самого верхнего.

Палитру Каналы используют для выделения, создания, дублирования и удаления каналов, определения их параметров, изменения порядка, преобразования каналов в самостоятельные объекты и формирования совмещенных изображений из нескольких каналов.

Палитра Контуры содержит список всех созданных контуров.

Палитра Операции позволяет  создавать макрокоманды – заданную последовательность операций с изображением.

Особую группу программных  средств обработки изображений  представляют Фильтры. Это подключаемые к программе модули, часто третьих фирм, позволяющие обрабатывать изображение по заданному алгоритму. Иногда такие алгоритмы бывают очень сложными, а окно фильтра может иметь множество настраиваемых параметров. Из групп фильтров популярны продукты серий Kai's Power Tools, Alien Skin, Andromeda и другие.[35]

Менее известными программами  можно назвать Painter компании Fractal Design, FreeHand компании Macromedia, и Fauve Matisse. Пакет Painter 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 также добиться эффекта натуральной среды. Среди программ для создания изображений на платформе Macintosh 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. 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.[41]

Программы векторной графики

В настоящее время создано  множество пакетов иллюстративной графики, которые содержат простые  в применении, развитые и мощные инструментальные средства векторной  графики, предназначенной как для создания макетов, подготовки материалов к печати, и для создания страниц в интернете и т.д.

Для создания графического объекта  потребуется программа иллюстративной векторной графики. Качество и полезность средств векторной графики определяются главным образом возможностями  масштабирования.

Для задач технического характера  обратим внимание на такие программы  построения диаграмм, как FlowCharter фирмы Micrografx или Visio Professional фирмы Visio Corp. Если же начать работать в области САПР, то существует несколько вполне доступных по ценам и возможностям пакетов, в том числе AutoCAD LT фирмы Autodesk или Design CAD  фирмы ViaGrafx.

Чтобы подготовить чертежи  для небольших строительных проектов, например реконструкции этапа дома или модернизации кухни, можно воспользоваться  пакетами Planix и Draftix фирмы SoftDesk, Visual Home фирмы Books That Work  или 3D Home Architect, Edition 2 фирмы Broderbund Software.[13]

Далее следует обзор наиболее известных редакторов векторной  графики.

Corel Draw X3 всегда производит сильное впечатление. В комплект фирма Corel включила множество программ, в том числе Corel Photo-Paint. Новый пакет располагает бесспорно самым мощным инструментарием среди всех программ обзора, а при этом по сравнению с предыдущей версией интерфейс стал проще, а инструментальные средства рисования и редактирования узлов - более гибкими.

Художественные возможности  оформления текста в CorelDraw безупречны, а принимаемые по умолчанию параметры  для меж буквенных интервалов при размещении текста вдоль кривой не требуют настройки, исключающей наложение букв, - в отличие от Canvas и FreeHand. Инструмент "лупа" не имеет себе равных - он позволяет получить множество специальных эффектов, в том числе возможность увеличения только фрагмента изображения и автоматической настройки цветов текста в зависимости от цвета фона.

Можно вырезать изображения, накладывать цветные фильтры  и придавали растровым изображениям вид изогнутой страницы, используя  двух- и трехмерные эффекты и внешние  модули Photoshop. Когда вам нужно было редактировать пиксели, CorelDraw автоматически переключает вас на Corel Photo-Paint, где вы можете редактировать файл и сохранять его непосредственно в CorelDraw. Однако, помимо базовых возможностей масштабирования и средств динамического назначения размеров, Corel Draw не содержит специальных средств подготовки технических иллюстраций, подобных Smart Mouse в Canvas или копирования массивов в Designer.