Компьютерная графика и области ее применения

Компьютерная  графика и области  ее применения

    Компьютерная  графика — это область информатики, занимающаяся проблемами получения  различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

    Рассмотрим  основные области применения компьютерной графики.

    Научная графика. Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге.

    Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

    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.

    Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

    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, видеоуроки, видеопрезентации.

    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.

    Компьютерная  анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

    Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

Виды  компьютерной графики

    Различают три вида компьютерной графики. Это  растровая графика, векторная графика  и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения  и способами хранения в памяти ЭВМ. Для того чтобы понять особенности  изображения, его свойства, необходимо знать к какому виду графики оно  относится, рассмотрим их.

    Растровая графика представляет собой сетку (растр), ячейки которой называются пикселями. Каждый пиксель в растровом изображении имеет строго определенное местоположение и цвет, следовательно, любой объект представляется программой как набор окрашенных пикселей. Это значит, что пользователь, работая с растровыми изображениями, работает не над конкретными объектами, а над составляющими их группами пикселов.

    Поскольку эти точки (пиксели) никак не связаны  друг с другом, то для каждой из них  требуется указать цвет и координаты. В простейшем случае, когда используется двухцветное изображение (например, черно-белое) для описания цвета  каждого пикселя достаточно одного двоичного разряда: О — черный, 1 — белый. Для 256-цветного рисунка  таких разрядов требуется уже 8 на каждый пиксель (256=2⁸). Наиболее сложные, фотореалистичные цветные изображения требуют до 24 разрядов на пиксель. Вследствие этого размер файлов с растровыми изображениями очень быстро возрастает при увеличении глубины цвета изображения.

    Растровое изображение характеризуется набором  параметров.

    Размер. Как правило, задается в виде соотношения ширины и высоты в пикселях. От размера изображения зависит и размер файла, в котором оно хранится на диске. Особенно важен размер для цифровых изображений, помещаемых на веб-страницах (типовой размер страницы 800х600 пикселов), поскольку всегда следует четко представлять, какую часть страницы должно занимать то или иное изображение.

    Разрешение. Растровая графика зависит от разрешения (выражающее количество точек, приходящихся на единицу длинны), поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При этом следует различать:

• разрешение оригинала;
• разрешение печатного изображения;
• разрешение экранного изображения.

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

    Разрешение  печатного изображения  и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии, 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 измеряется числом линий на дюйм (lines per inch - lpi) 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 совпадает  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 цвета 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 (АМ) (см.рис.1).

       ячейка растра  АМ-растр, 18,75% АМ-растр, 50%  ЧМ-растр, 18,75%

    Рис 1. Примеры амплитудной и частотной модуляции растра

    Существует  и метод растрирования с частотной модуляцией (ЧМ), когда интенсивность тона регулируется изменением расстояния между соседними точками одинакового размера. Таким образом при частотно-модулированном растрировании в ячейках растра с разной интенсивностью тона находится разное число точек.

    Изображения растрированные ЧМ-методом, выглядят более  качественно, так как размер точек  минимален и, во всяком случае существенно меньше, чем средний размер точки при АМ-растрировании. Еще более повышает качество изображения разновидность ЧМ-метода, называемая стохастическим растрированием. В этом случае рассчитывается число точек, необходимое для отображения требуемой интенсивности тона в ячейке растра. Затем эти точки располагаются внутри ячейки на расстояниях, вычисляемых ресурсов и высокой точности полиграфического оборудования; он применяется в основном для художественных работ, при печати с числом красок, превышающих четыре.

    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 значений 150 уровней).

    Нетрудно  подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь  размер ячейки растра 256=16х16 точек.

    Между разрешением оригинала, частотой растра и градацией уровней существует зависимость, описываемая формулой:

    N=(dpi/lpi)²+1; lpi=dpi/(N-1)^1/2,

    где N – число градаций уровней тона (оттенков), dpi – разрешение устройства вывода (отображения), lpi – линиатура растра. Единица в формуле соответствует абсолютно белому цвету, когда ячейка растра вообще не заполнена. [3]

    Разрешение  экранного изображения. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешения оригинала и масштаба отображения.

    Мониторы  для обработки изображений с  диагональю 19-24 дюйма, как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024, 1600х1200, 1600х1280, 1920х1440, 1920х1600, 2048х1536 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22-0,25 мм. (Люминофор — покрытие электронно-лучевой трубки монитора. Оно облучается остронаправленным пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, светящиеся красным, зеленым или синим цветом. Чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку  и изображение было четким, перед люминофором ставят панель с регулярно расположенными отверстиями). Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150-200 dpi, для вывода на фотоэкспанирующем устройстве 200-300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раз больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия (бумага, пленка и т.д.) будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.

    Тип цветовой модели. Определяет способ описания цвета или тона каждым пикселем. Например, модель RGB описывает любой цвет как композицию трех основных составляющих: R (Red) – красный, G (Green) – зеленый, B (Blue) – синий. Остальные цвета образуются при смешивании этих трех основных. Модель CMYK —четырехканальная цветовая модель, С — это Cyan (Голубой), М — Magenta (Пурпурный), Y — Yellow (Желтый). Черный компонент сокращается до буквы К, поскольку эта краска является главной, ключевой (Key) в процессе цветной печати. Число компонентов (каналов) увеличилось до четырех. То есть, как и для модели RGB, количество каждого компонента может быть выражено в процентах или градациях от 0 до 255. Цветовая модель Lab получила свое название от своих базовых компонентов L, a и b. Компонент L несет информацию о яркостях изображения, а компоненты а и b — о его цветах. Компонент а изменяется от зеленого до красного, а b — от синего до желтого.

    Глубина цвета. Определяет, сколько битов памяти выделяется на каждый пиксель изображения для хранения информации о цвете или тоне. Например, для монохромного двухградационного изображения глубина цвета составляет 1 бит/пиксель, для монохромного изображения в градациях серого – 8 бит/пиксел, для индексированного от 1 до 8 бит/пиксель, для полноцветного – 24 бит/пиксель. [5]

    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.

    Растровые изображения обеспечивают высокую  точность передачи градаций цветов и  полутонов, а также высокую детализацию  изображения, поэтому они являются оптимальным средством представления  тоновых изображений, таких как  сканированные фотографии.

    Для изображения растровой графики  всегда используется фиксированное  количество пикселов, т.е. качество растрового изображения напрямую зависит от разрешающей способности оборудования. Это значит, что любое изменение  изображения (поворот, увеличение и  т.д.) приводит к неизменному искажению  картинки и границы объектов получаются неровными.

    На  основе вышесказанного можно выделить основные достоинства и недостатки растровой графики:

Достоинства