Рис. 1.4 – Масштабирование изображений.
Следует помнить, что при черчении масштаб изображения нельзя брать произвольно – он должен браться из установленного в ЕСКД ряда 1; 2; 2,5; 4; 5; 10; 15; 20; 25; 40; 50; 75; 100; 200; 400; 500; 800; 1000.
Легкость редактирования векторных изображений связана с тем, что они четко разделены на ряд объектов, у каждого из которых можно поменять описывающие его параметры. Например, для переноса отрезка вдоль оси Х на расстояние d достаточно прибавить величину d к абсциссам его концов. В случае же с растровым представлением тот же отрезок оказывается "рассыпанным" на большое количество не связанных между собой пикселов и перенести его оказывается фактически невозможно (Рис. 1.5).
а) перенос векторного отрезка
б) перенос растрового отрезка
Рис. 1.5 – Редактирование векторных (а) и растровых (б) изображений.
Векторное изображение приходится тем или иным способом создавать на компьютере. Если у вас имеется чертеж, выполненный на бумаге, его можно отсканировать, но в результате получится растровое представление, качественно перевести которое в векторное практически невозможно. Это еще одно фундаментальное свойство двух рассматриваемых представлений: векторное изображение легко перевести в растровое, а вот растровое в векторное – крайне сложно.
Очевидно, что векторное представление малопригодно для изображений типа фотографий с большим количеством заливок и плавных переходов цвета, зато оно идеально подходит для чертежей, схем и т.п.
Главные недостатки растрового представления, помимо уже отмеченной трудности редактирования – большой объем занимаемой памяти и резкая потеря качества при масштабировании. Для цифровой обработки растровых изображений требуются мощные компьютеры, причем объем оперативной памяти здесь более важен, чем быстродействие процессора. Файлы же с растровыми изображениями могут занимать сотни мегабайт.
. ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
Цифровая обработка изображений не входила в число задач, решавшихся на первых электронных компьютерах в 40-50е годы ХХ века. В то время отсутствовали надлежащие устройства вода и вывода графической информации, да и технические параметры вычислительной техники не позволяли организовать эффективную работу с изображениями.
Мощный импульс развитию средств компьютерной графики дала программа лунных экспедиций Apollo (1961-1972). Для тренировки астронавтов было необходимо на тренажере воспроизвести условия посадки на Луну с учетом освещения, углов обзора, лунного пейзажа. Для решения этой задачи и были созданы первые системы компьютерной графики. Компьютеры того времени все же не позволяли обеспечить полную имитацию обстановки, поэтому часть изображения создавалась обычными телекамерами. Компьютерная графика также широко применялась при передаче телевизионных изображений с межпланетных станций. Уже в 1968 на станции Mariner 9 была установлена компьютерная сканирующая система для передачи изображения поверхности Марса.
2.1. Развитие аппаратных и программных средств
Первые системы автоматизированного проектирования (САПР, англ. CAD) для разработки чертежей на компьютере появились в 60-е гг. ХХ века (Рис. 2.1).
Дальнейшее развитие компьютерной техники, рост объемов памяти и быстродействия привел к появлению возможности обработки сложных цветных изображений. Одним из первых применений таких систем стали разнообразные игры (Рис. 2.2). Видеоигры фирм Atari, Commodore др., подключаемые к бытовому телевизору, вышли на рынок во второй половине 70-х гг. ХХ века имели значительный коммерческий успех.
Рис. 2.1 – Одна из первых САПР "Блокнот"
и ее создатель И. Сазерленд (1961).
Рис. 2.2 – Одна из первых компьютерных графических игр
"Космическая война" (начало 60-х гг. ХХ века).
2.2. Применение в кинематографе
В начале 80-х гг. ХХ века стало возможным снимать кино на компьютере, заменяя компьютерными изображениями дорогостоящие модели. Впервые 30-секундный монохромный эпизод, созданный средствами компьютерной графики, был включен в знаменитый фильм Дж. Лукаса "Звездные войны: Эпизод IV" (Star Wars: Episode IV, 1977). На его создание ушло три месяца. В 1981 студия У. Диснея выпустила фильм "Трон" (Tron), бóльшая часть эпизодов которого представляла собой компьютерную анимацию, совмещенную с живыми актерами. Качество изображения оставляло желать лучшего (Рис. 2.3).
а)
б)
Рис. 2.3 – Кадр из фильма "Трон" (а) и схема его построения (б).
Дальнейшее бурное развитие компьютерной кинематографии хорошо известно по многим фильмам последних лет. В настоящее время существует реальная возможность создания художественных фильмов вообще без участия живых актеров.
Параллельно развивалось и такое направление КГ, как деловая графика. Во второй половине 80-х гг. ХХ века персональные компьютеры (ПК) получили определенные графические возможности (цветные дисплеи, струйные принтеры) и соответствующее программное обеспечение для построения диаграмм и графиков (электронные таблицы Lotus, Quattro Pro, Excel), чертежей (САПР AutoCAD), для работы дизайнера (CorelDRAW и Adobe Photoshop). Дальнейший рост производительности позволил перенести на ПК системы трехмерного моделирования (3D Studio, SolidEdge), ранее функционировавшие лишь на специальных рабочих станциях.
Рис. 2.4 – Шлемы для виртуальной реальности.
Еще одно бурно развивающееся направление компьютерной графики – виртуальная реальность (VR – virtual reality). Средства VR предназначены для воздействия на все органы чувств человека, включая осязание, за счет чего создается иллюзия взаимодействия с несуществующим виртуальным миром. Оборудование для VR включает в себя специальный шлем или очки-монитор, создающие стереоскопическую картинку, меняющуюся при изменении положения головы человека, костюм или перчатки, отслеживающие движения человека и обеспечивающие воздействие на органы осязания (например, надувные подушечки имитируют давление на кончики пальцев), а также наушники.
Системы виртуальной реальности пока не получили большого распространения, в основном из-за недостаточно высокого качества изображения и быстрого утомления зрения. В будущем ожидается широкое внедрение систем VR для обучения, игр и трехмерного моделирования.
3. Технические средства компьютерной графики: мониторы, графические адаптеры, плоттеры, принтеры, сканеры
Очевидно, для любой цифровой обработки изображений необходимо специальное оборудование, позволяющее как оцифровывать имеющиеся изображения, так и выводить изображения с компьютера на экран и в виде так называемой твердой копии на бумагу, пленку и другие носители.
Рис. 3.1 – Аппаратные средства компьютерной графики.
На Рис. 3.1 представлены основные аппаратные средства компьютерной графики.
Свойства растровых изображений
Растровые изображения, в отличие от векторных, обладают рядом специфических свойств. К ним относятся разрешение, цветовая глубина, физический размер и применяемая цветовая модель.
Разрешение (resolution) – важнейший параметр растровой картинки. Разрешение показывает, на сколько пикселов разбивается единица длины изображения и традиционно меряется в точках на дюйм (dots per inch, dpi). Очевидно, чем выше разрешение, чем более мелкие детали будут четко показаны на изображении и тем больший объем памяти оно займет.
Ясно видно, что при низком разрешении возникает так называемый эффект пикселизации - картинка явно распадается на довольно крупные квадратики и изображение теряет четкость.
Выбор разрешения зависит прежде всего от дальнейшей судьбы изображения. Дело в том, что разрешение изображения должно соответствовать разрешению применяемого устройства вывода.
Форматы хранения графической информации
Растровые изображения, особенно высокого разрешения и с большой цветовой глубиной, занимают значительные объемы памяти. Попробуем подсчитать, сколько места в памяти займет цветная картинка формата А4 (8.2´11.6 дюйма), если ее отсканировать с разрешением 300dpi и цветовой глубиной 24 бита.
Подсчитаем размер изображения в пикселах:
X=11.6´300=3480
Y=8.2´300=2460
Таким образом, всего картинка состоит из 3480´2460=8560800 точек. На каждую точку отводится 24 бита или 3 байта. Тогда общий объем памяти для хранения изображения будет равен 8560800´3=25682400 байт или 24.5 Мб.
Очевидно, работать с файлом такого размера затруднительно. Поэтому во многих форматах хранения растровых изображений предусмотрено сжатие информации. Можно сказать, что при сохранении изображения в таком формате включается программа-архиватор, сжимающая данные.
Принципиально существуют два способа сжатия информации: без потерь и с потерями (Рис. 4.4).
Рис. 4.4 – Алгоритмы сжатия информации.
При сжатии без потерь распакованные из архива данные точно соответствуют первоначальным, поэтому такими способами можно сжимать текст и исполнимые файлы программ. Принцип сжатия основан на поиске в файле повторяющихся фрагментов и вынесении их в отдельную таблицу. Сжатие без потерь реализовано в формате хранения растровых изображений TIFF, причем можно на выбор указать алгоритм сжатия: LZW или ZIP. На Рис. 4.5 приведено диалоговое окно сохранения изображения в формате TIFF программы Adode Photoshop, в котором нужно явно указать способ сжатия.