6Основные понятия компьютерной графики

Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.

Область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных комплексов, называется компьютерной графикой. Она охватывает все виды и формы представления изображений с помощью средств вычислительной техники.

Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и современный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.

Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.

Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере.

Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает «локомотивом», тянущим за собой всю компьютерную индустрию.

6.1Виды компьютерной графики

Существует два основных способа представления изображений – растровый и векторный (рис. 7). В соответствии с этими способами все компьютерные изображения, все форматы для их хранения и все программы для их обработки также можно делить на два основных класса. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Кроме того, особо следует выделить фрактальную* графику.

а) б) в)

Рисунок 7 – Виды компьютерной графики: a) векторная; б) растровая; в) трехмерная графика

Изображения в растровой графике состоят из отдельных точек различных цветов, образующих цельную картину (наподобие мозаики). Типичным примером растровой графики служат отсканированные фотографии или изображения, созданные в графическом редакторе PhotoShop. Применение растровой графики позволяет добиться изображения высочайшего фотореалистичного качества. Но такие файлы очень объемны и трудно редактируемы (каждую точку приходиться подправлять вручную) При масштабировании (изменении размеров с сохранением пропорций) качество изображения ухудшается. Так, при уменьшении исчезают мелкие детали, а при увеличении проявляется «лестничный» эффект (например, наклонный отрезок становится «ступенчатым»). При печати растрового изображения или при просмотре его на устройствах, имеющих недостаточную разрешающую способность, значительно ухудшается восприятие образа.

Суть принципа точечной графики: если надо закодировать чёрно-белое изображение, то на него «накладывается» сетка и создается матрица (таблица) той же размерности, заполняемая единицами, если точка белая, и нулями, если чёрная. Если границы оригинала изображения параллельны границам ячеек сетки, получается идеальная матрица из нулевых и единичных битов, которая представляет закодированное изображение, его побитовую карту (bitmap). Если для кодирования каждой точки использовать несколько бит (количество которых называется глубиной цвета), то можно представлять не только монохромные, но и полутоновые (в градациях серого), и цветные изображения.

Достоинства растровой графики:

1. Каждый пиксель независим друг от друга.

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

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

4. Большинство форматов файлов, предназначенных для сохранения точечных изображений, являются стандартными, поэтому не имеет решающего значения, в каком графическом редакторе создано то или иное изображение.

5. Можно использовать в Web-дизайне

Недостатки растровой графики:

1. Объём файла точечной графики однозначно определяется произведением глубины цвета на количество элементов разложения, которое определяется площадью изображения и разрешением (если они приведены к единой размерности). Если эти параметры одинаковы для разных файлов, то их размер будет тоже одинаковыми. При этом совершенно неважно, какое именно изображение хранится в файле: совершенно белое поле, или же некий фантастический узор с обилием цвета и форм.

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

3. 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).

В основе векторной графики лежит формирование изображения с использованием большого числа отрезков коротких прямых (векторов), каждый из которых имеет определенное направление, цвет и координаты точки, из которой он исходит и точки, в которую входит. Представление изображения основано на использовании геометрических примитивов, таких как точки, прямые линии, ломаные, многоугольники, окружности, дуги, кривые, сплайны, и другие.

Векторное представление заключается в математическом описании элементов изображения с указанием способа их раскраски. Например, изображение древесного листа описывается точками, через которые проходит линия, создавая тем самым контур листа. Цвет листа задается цветом контура и области внутри этого контура.

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

Существует тенденция к сближению редакторов векторной и растровой графики. Большинство современных векторных редакторов способны использовать растровые картинки в качестве фона, а то и переводить в векторный формат части изображения встроенными средствами (трассировка или векторизация). Причем обычно имеются средства редактирования загруженного фонового изображения. Кроме того, может осуществляться непосредственный перевод сформированного векторного изображения в растровый формат (растеризация) и дальнейшее его использование как нередактируемого растрового элемента. Существует множество конвертеров из векторного формата в растровый с получением соответствующего файла. Многие растровые редакторы способны загружать один из векторных форматов (обычно wmf – Windows Metafile) в качестве фона или сразу переводить их в растр с возможностью непосредственного редактирования.

Широкое применение находит трехмерная компьютерная графика и анимация – от рекламы и динамических заставок до моделирования катастроф. Современный мир немыслим без 3D-технологий. Средства трехмерной графики позволяют сегодня за считанные часы осуществить спецэффекты, которые с помощью физических моделей, прозрачной фотографии и оптических принтеров еще недавно создавались месяцами. Уже не надо тратить тысячи человеко-часов на построение моделей, которые нужно затем установить на сцене, осветить, отснять и скомбинировать с остальными участниками эпизода. Достаточно посадить одного человека за компьютер, чтобы создать спецэффекты, дающие полное ощущение реальности.

Методы трехмерной графики дают возможность создавать видеоролики и даже «снимать» телепередачи исключительно при помощи компьютерных моделей. «Живой» ведущий свободно перемещается внутри сцены, при моделировании которой использована трехмерная графика, ходит вокруг объектов и может взаимодействовать с ними. Интересно вспомнить, что трехмерная компьютерная графика когда-то носила ироническое название «решение в поисках проблемы».

Фрактальная графика, как и векторная, во многом основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является не примитив, а последовательность преобразований, то есть изображение строится исключительно по заданным алгоритмам (для каждого изображения – свой алгоритм его формирования). Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.