Питання й вправи

1. Назвіть чотири основні області застосування комп'ютерної графіки.

2. Які основні напрямки розвитку комп'ютерної графіки? Які завдання вони вирішують?

3. Де й коли вперше був використаний дисплей як пристрій виводу ЕОМ?

4. Ким і коли була розроблена перша інтерактивна програма для малювання?

5. Назвіть основних розроблювачів методів зафарбовування гладких поверхонь.

6. Хто є автором ряду алгоритмів побудови растрових образів різних геометричних об'єктів?

7. Назвіть авторів алгоритмів видалення невидимих ліній.

8. У чому складається основне розходження між дисплеями з довільним скануванням і растровим скануванням?

9. Чим відрізняється дисплей на запам'ятовувальній трубці від векторного дисплея з регенерацією зображення?

10. Які основні принципи роботи кольорової растрової електронно-променевої трубки?

11. Як працює пір'яний плотер?

12. Назвіть основні пристрої уведення, що використовуються в комп'ютерній графіці.

13. Які із пристроїв уведення дають можливість працювати в абсолютних координатах?

14. Охарактеризуйте області застосування скане

ЛЕКЦІЯ 2

ТИПИ КОМП’ЮТЕРНОЇ ГРАФІКИ

Розроблені й успішно застосовуються три основних принципи представлення графічних зображень – растрова,векторна та фрактальнаграфіка.В основі кожного способу лежать математичні моделі зображень.Для растрової графіки – це масив (матриця) чисел, що описують координати і колірні параметри кожної точк и малюнка, для векторної графіки – математичні формули, що описують геометричні фігури (об’єкти) зображення.

Фрактальна графіка оперує математичними формулами, які описують процес автоматичної генерації зображення за допомогою рівнянь.

Растрову графіку застосовують, в основному, при розробці електронних (мультимедійних) і поліграфічних видань. Для кодування малюнок розбивають на невеликі одноколірні частини. Усі кольори, використані в зображенні, нумерують і для кожної частини записують

номер її кольору. Запам'ятавши послідовність розташування частин і номер кольору частини, можна однозначно описати будь-який малюнок. Ілюстрації, виконані засобами растрової графіки, рідко створюють вручну за допомогою комп'ютерних програм. Частіше для цієї мети використовують ілюстрації, підготовлені художником на папері чи фотографії, які потім оцифровують на сканері

Тому більшість графічних редакторів, призначених для роботи з растровими ілюстраціями, орієнтовані не стільки на створення зображень, скільки на їхню обробку.

Програмні засоби для роботи з векторною графікою призначені для створення зображень і, в меншій мірі, для їх обробки. У векторному способі кодування геометричні фігури, криві і прямі лінії,

що складають малюнок, зберігаються в пам'яті комп'ютера у вигляді математичних формул і геометричних абстракцій, таких як: коло, квадрат, еліпс і подібні фігури. За допомогою математичних формул можна описати найрізноманітніші фігури. Саме векторна графіка використовується в системах автоматизованого проектування для виготовлення та редагування різноманітної технічної документації при виконанні проектно-конструкторських робіт (рис. 2.2). Векторна графіка широко використовується у рекламних агентствах, дизайнерських бюро, редакціях і видавництвах. Дизайнерські роботи, що базуються на застосуванні шрифтів і найпростіших геометричних елементів, легше вирішуються засобами векторної графіки. Програмні засоби для роботи з фрактальною графікою призначені для

автоматичної генерації зображень шляхом математичних розрахунків.

15

Створення фрактальної художньої композиції складається не з малювання чи оформлення, а з програмування. Фрактальну графіку рідко застосовують для створення друкованих чи електронних документів. Здатність фрактальної графіки моделювати образи живої природи обчислювальним шляхом часто використовують для автоматичної генерації незвичних ілюстрацій .У машинній графіці фрактали використовують при зображені дерев, кущів, моделюванні рельєфу місцевості чи поверхні моря і т.п. Фактично, знайдений

спосіб легкого представлення складних, з точки зору геометрії, об’єктів, образи яких дуже подібні на природні, тому що

фрактальними властивостями володіють багато об’єктів живої і неживої природи.

Растрова графіка

Принцип кодування графічної інформації в растровій графіці

використовувався людьми за багато століть до комп'ютерів, моніторів і сканерів.

Комп’ютерне растрове зображення представляється у вигляді прямокутної матриці, кожен осередок якої є кольоровою точкою. При оцифровуванні зображення поділяється на такі малі осередки, що око людини їх не бачить, сприймаючи все зображення як ціле. Сама

сітка отримала назву растрової карти, від англійського слова bitmap - бітова карта , а її одиничний елемент - піксель (від англійського PICtureELement – елемент малюнка). Піксельє найменшим елементом растрового зображення, що має адресу. Растрова карта являє собою

набір (масив) трійок чисел: два перші значення є координати пікселя на площині, третє – визначає його колір. За допомогою засобів растрової графіки можна відобразити і передати всю гаму нюансів і тонких ефектів, властивих реальному зображенню. Растрове зображення

ближче до фотографії, оскільки дозволяє більш точно відтворювати основні характеристики фотографії: освітленість, прозорість і глибину різкості. Часто растрові зображення отримують за допомогою сканування зображень, цифрової фотокамери чи шляхом “захоплення” кадру відео зйомки. Останнім часом, для введення растрових зображень у комп'ютер, знайшли широке застосування цифрові фото- і відеокамери. Але растрові зображення можна отримати і безпосередньо в програмах растрової графіки. Растрові зображення втрачають якість при масштабуванні. Зменшення растрового

зображення губить розбірливість дрібних деталей зображення, так як кілька сусідніх точок перетворюються в одну. Збільшення зображення призводить до збільшення точки зображення, а жодних додаткових деталей побачити не вдається.

16

Більше того, збільшення точок растра візуально спотворює ілюстрацію і робить її грубою, з'являється східчастий ефект. Такий ефект називається пікселізацією. Отже, при будь-яких трансформаціях (поворотах, масштабуванні, нахилах і ін.) у растровій графіці неможливо обійтися без спотворення (це продиктовано дискретною природою зображення). Тим не менше, растрові зображення широко використовуються в обчислювальній

техніці, оскільки мають незаперечні переваги — простота і, як наслідок, можливість технічної реалізації автоматизації процесу введення (оцифровки) образотворчої інформації. Існує розвинута система зовнішніх пристроїв для введення фотографій, слайдів, малюнків, акварелей і інших образотворчих оригіналів, які безупинно удосконалюються, надаючи можливість більш адекватного перетворення зображень на матеріальних носіях (папері, плівці і т.д.) у цифрову форму. Важливою перевагою піксельної графіки є можливість створювати та обробляти фотореалістичні зображення. Можна отримати мальовничі ефекти, наприклад, туман чи серпанок, відобразити найтонші нюанси кольору, створити

перспективну глибину і нерізкість, розмитість, акварельність і т.д. Тому, фотографії і малюнки, введені в комп'ютер, зберігаються саме у вигляді растрових зображень. Більшість

малюнків у всесвітній комп'ютерній мережі Інтернет є растровими файлами.

Принципи формування кольорових зображень

Світ, що оточує людину, сприймається кольоровим. Колір має не тільки інформаційну, але й емоційну складову. Людське око – дуже тонкий інструмент, але сприйняття кольору ним є суб'єктивним, так як важко передати іншій людині своє відчуття кольору. Але для поліграфії і комп'ютерних технологій, необхідні більш об'єктивні способи

опису й обробки кольору. Для цього розроблені численні колірні моделі, що описуються певним набором параметрів.

Кожен піксель растрового зображення містить інформацію про колір, векторний об'єкт містить інформацію про колір його контуру і зафарбованої області. Інформація може займати від одного до тридцяти двох біт, в залежності від глибини кольору. Кількість кольорів у природі нескінченна, і доводиться схожі кольори нумерувати однаковими числами. У найпростішому випадку використовується тільки чорний і білий колір. Для представлення

кожного пікселя в чорно-білому малюнку досить одного біта, що може зберігати значення або 0, або 1. Число кольорів, у які можна розфарбувати окремий піксель, визначається як два

в степені N, де N — кількість бітів, що зберігають колірну інформацію про піксель.

17

У контрастній чорно-білій картинці кожен піксель кодується одним бітом. Восьмибітнезображення дозволяє мати 256 кольорів, а 24 біта забезпечують присутність у зображенні більше 16 мільйонів кольорів, що дає можливість працювати з зображеннями професійної

якості. Для зображень, що містять мільйони різних відтінків, розроблено кілька моделей представлення кольору, що допомагають визначити кожний відтінок. Колірна модель визначає спосіб створення кольорів, що використовується у зображенні. Розроблено три основних колірних моделі і безліч їхніх модифікацій.

Зі шкільного курсу фізики ми знаємо, що сонячне світло можна розкласти на окремі кольорові складові, а зібравши разом у потрібних пропорціях різнобарвні промені, ми отримаємо промінь білого кольору. Якщо змінимо трохи пропорції, то отримаємо джерело

світла заданого кольору. У телевізорах і комп'ютерних моніторах використовується люмінофор, що світиться червоним, зеленим і синім кольором. Змішуючи ці три кольори отримуємо різноманітні кольори і їхні відтінки. На таких принципах побудована модель

представлення кольору RGB, названа так за початковими буквами вхідних у неї кольорів:

Red – червоний, Green – зелений, Blue – синій. Кожний колір у цій моделі представляється трьома числами, що описують величину колірної складової. Чорний колір утвориться, коли

інтенсивність усіх трьох складових дорівнює нулю, а білий – коли їхня інтенсивність максимальна. Велика кількість комп'ютерного устаткування працює з використанням моделі RGB, тому що вона проста. Проте, у моделі RGB теоретично неможливо отримати деякі кольори, такі як, насичений синьо-зелений, і вона сильно зв'язана з реалізацією її на конкретних пристроях.

Більшість кольорів, що ми бачимо в оточуючому нас світі, є наслідком відбивання і поглинання світла. Наприклад, сонячне світло, падаючи на зелену траву, частково поглинається, і відбивається тільки його зелена складова. При друці на принтері на папір наноситься кольорова фарба, що відбиває тільки світло визначеного кольору, інші кольори поглинаються, чи віднімаються із сонячного світла. На ефекті вирахування кольорів побудована модель представлення кольору CMYK: Cyan – голубий, Magenta – пурпуровий,

Yellow – жовтий, Black – чорний. Magenta не є пурпуровим кольором, оскільки точна назва кольору – фуксин, але в комп'ютерній літературі його називають пурпуровим. Вибір кольорів для моделі невипадковий, так як вони тісно пов'язані з кольорами моделі RGB. Блакитний

колір утвориться при поглинанні червоного, пурпуровий при поглинанні зеленого, а жовтий колір виходить у результаті поглинання синього.

18

При нанесенні більшої кількості фарб різних кольорів, поглинається більше кольору і менше відбивається. Таким чином, при

змішуванні максимальних значень трьох кольорів, ми повинні отримати чорний колір, а при повній відсутності фарби мав би вийти білий колір. Однак, в дійсності при змішанні трьох фарб виходить брудно-бурий колір, тому що реальні барвники відбивають і поглинають

колір не зовсім так, як описано в теорії. Чорний колір виходить тільки при додаванні чорної фарби, тому в модель CMYK і додана чорна складова. Система CMYK широко застосовується в поліграфії. Типографське устаткування працює винятково з цією моделлю,

та й сучасні принтери теж використовують барвники чотирьох кольорів. При друці на папір наноситься кілька шарів фарби, і в результаті ми отримуємо кольорове зображення, що містить мільйони різних відтінків.

Моделі RGB і CMYK зручні при роботі з конкретним устаткуванням, але не дуже зручні для людського сприйняття. Представивши собі бажаний колір, ми не зможемо сказати, скільки в ньому складових кольорів. Наступна модель кольору заснована на сприйнятті кольору людиною. Всі кольори в ній описуються трьома числами. Одне задає власне колір, інше – насиченість кольору, а третє – яскравість. Колір у цій моделі незалежний від технічних засобів. Є кілька варіантів моделі, названих різними термінами, але вони означають те саме. Найчастіше зустрічається модель HSB, у якій кожен колір

описується колірним тоном – Hue, насиченістю – Saturation і яскравістю – Brightness. Модель HSB не залежить від устаткування і зручна для сприйняття людиною, тому з нею часто працюють програми, надалі перетворюючи цю модель кольору в модель RGB для показу на

екрані чи моніторі, в модель CMYK – для друку на принтері. Крім того, модель HSB зручно використовувати при редагуванні малюнків, зміні одного кольору на інший. Часом достатньо поміняти тільки колірну складову, не змінюючи яскравість і насиченість. Малюнок не

зміниться, але прийме інший відтінок.

Існують інші моделі представлення кольору, але в переважній більшості випадків використовуються перераховані вище. Для опису відтінку можливо використовувати фіксовані палітри, тобто список заданих кольорів. Широко поширені палітри PANTONE.

Вказавши, яка палітра використовується і номер кольору в цій палітрі, можна однозначно визначити потрібний колір. Використання фіксованих палітр полегшує вибір необхідних барвників.

Формати та редактори растрових зображень

Формат зображення – це спосіб кодування графічного зображення. Розміри графічних файлів зазвичай є досить великими, тому використовують різні алгоритми стискання даних,

19

а вибір потрібного формату економить місце на носії інформації чи вінчестері комп’ютера.

Детальніше охарактеризуємо найбільш поширені типи зберігання графічних растрових зображень.

BMP (Bitmap) – формат, який використовується для представлення графічної інформації в ресурсах програм і підтримує тільки зображення в моделі RGB з глибиною

кольору до 24 біт. Він не підтримує додаткові кольорові чи альфа-канали, контури обтравки і керування кольором. Розміри файлів з розширенням bmp, зазвичай, дуже великі, оскільки

використовується найпростіший алгоритм стискання даних (RLE – RunLengthEncoding). TIFF (TaggedImageFileFormat) - універсальній формат розроблений фірмою “Aldus” спеціально для зберігання сканованих зображень і їх використання в видавничих та

ілюстраційних програмах. TIFF підтримує монохромні, індексовані, півтонові зображення, а також зображення в моделях RGB і CMYK з каналами у 8 та 16 біт. В цьому форматі можна зберігати обтравочні контури, калібровану інформацію і налаштування друку. Можна також

використовувати будь-яку кількість додаткових альфа-каналів, але не підтримуються додаткові кольорові канали. Формат підтримує практично будь-який алгоритм стискання даних, наприклад поширений алгоритм LZW (Lempel-Ziv-Welch) – стискання інформації без втрат.

PSD - власний формат програми AdobePhotoshop. Він використовується для зберігання проміжних результатів редагованих зображень, оскільки зберігає їх багатошарову структуру у вигляді доступному для подальшого їх редагування.

AdobePhotoshop призначений для професійної роботи з растровою графікою. Галузь застосування цього пакету надзвичайно широка – від сканування і наступної обробки фотографій до професійної підготовки зображень для книг, журналів і реклами. Photoshop

використовується для підготовки зображень до друку, розміщення їх в мережі Internet, розповсюдження в електронному форматі PDF, а також для конструювання нестандартних

інтерфейсів комп’ютерних програм і WEB-сторінок. Програму використовують люди різних професій: дизайнери, художники, поліграфісти, виробники комп’ютерних ігор, фотографи.

На вирішення подібних задач орієнтовані і інші растрові редактори, такі як: CorelPhotoPaint, PaintShopPro, Painter, Paint (найпростіший редактор) та інші, але все ж таки

Photoshop – це визнаний лідер обробки растрових зображень, так як всі операції виконуються швидко і якісно.

20

Photoshop дозволяє працювати з шарами, масками і виділеними об’єктами. В його розпорядженні знаходяться потужні засоби корекції кольору і ретушування, зміни розмірів і роздільної здатності зображень, а також він підтримує всі сучасні формати

графічних файлів і добре взаємодіє з програмами верстки. Photoshop є стандартом в області обробки растрових зображень і постійно розвивається.

JPEG (JoinPhotographicExpertGroup) – формат, в якому вперше використано новий принцип стискання даних з втратою якості, який полягає у видаленні з зображення тієї його частини, яка не сприймається (або майже не сприймається) людським оком. Внаслідок цього,

нове зображення займає значно менше місця, ніж вихідне. Ступінь стискання даних в форматі задається користувачем, тому чим менша ступінь стискання, тим якісніше зображення і навпаки. Даний формат широко використовується в Internet та при створенні електронних презентацій. Невеликі розміри файлів дозволяють передавати їх по каналах зв’язку. В поліграфії цей формат використовувати небажано, хоча в ньому можна зберігати контури обтравки і кольорові профілі. JPEG підтримує півтонові та повноколірні зображення в моделях RGB і CMYK, але в ньому не підтримуються додаткові кольорові і альфа-канали.

Недоліком є те, що на зображеннях з чіткими границями і великими залитими областями сильно проявляються дефекти стискання, темні лінії на світлому фоні спотворюються через

особливості алгоритму стискання, який обробляє зображення квадратними блоками зі стороною 8 пікселей.

GIF - формат створений фірмою “CompuServe” спеціально для передачі растрових зображень в глобальних мережах. Формат орієнтований на компактність і використовує алгоритм стискання LZW, який не приводить до втрати якості. GIF підтримує індексовані

зображення і не підтримує додаткові канали. В одній з версій даного формату можна зберігати в одному файлі зразу декілька індексованих зображень в подібному на шар положенні – одне під іншим.