Лабораторная работа №1 Знакомство с компьютерной графикой

Виды компьютерной графики

Несмотря на то что для работы с компьютерной графикой существует множество программ, различают всего три вида компьютерной графики: растровая, векторная и фрактальная. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровая графика

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную. Чаще для этой цели сканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры.

Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентировано не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

Любое изображение в газете, на фотографии или на холсте художника можно представить себе как совокупность точек, каждая из которых окрашена в тот или иной цвет. Любое изображение на экране монитора также является совокупностью точек (пикселов), каждая из которых окрашена в какой-либо цвет. Все компьютерные изображения являются цифровыми, то есть каждый пиксел описывается неким целым числом, представляющим цвет точки.

Количество цветов, которые может воспроизводить видеоадаптер, определяется количеством бит, отводимых в видеопамяти компьютера для описания одной точки. Например, 4 бита позволяют воспроизводить 2⁴=16 цветов, 8 бит - 2⁸=256 цветов и т. д.

Основным элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, эта точка называется пикселом. Пиксел - сокращение от английских слов "picture element" ("элемент изображения"). В зависимости от того, на какое графическое разрешение экрана настроена операционная система компьютера, на экране могут размещаться изображения, имеющие 640x480,800x600,1024x768 и более пикселов. С размером изображения непосредственно связано его разрешение. Этот параметр измеряется в точках на дюйм (dots per inch - dpi). У монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на экране составляет примерно 28x21 см. Зная, что в одном дюйме 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800x600 пикселов разрешение экранного изображения равно 72 dpi.

При печати разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая печать полноцветного изображения требует разрешения 200-300 dpi. Стандартный фотоснимок размером 10x15 см должен содержать примерно 1000x1500 пикселов и будет иметь 1,5 млн точек, а если изображение цветное и на кодирование каждой точки использованы три байта, то цветной фотографии размером 10x15 см соответствует массив данных размером свыше 4 Мбайт.

Все точки растрового изображения запоминаются в специальном файле, и поэтому основной проблемой при использовании растровых изображений является большой объем данных. Для активных работ с крупными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более).

Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее.

Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой (рис. 4.2), а при уменьшении - резко снижается качество деталей (за счет потери точек).

Тем не менее при соответствующей технике растр позволяет получить изображение высочайшего качества. Поэтому растровые рисунки широко применяются в художественной графике и в задачах, где не предъявляется особых требований к качеству масштабирования изображения.

Растровые изображения создаются средствами специальных программ с помощью инструментов, имеющих аналоги в ручной живописи (кисти, карандаш, распылитель). Растровые изображения создает и сканер, представляющий рисунок набором оцифрованных точек. Простейший пример приложения для обработки растровых рисунков - стандартный графический редактор Microsoft Paint. В профессиональной графике используются мощные приложения, например CorelPhoto, Photo-Finish, Adobe Photoshop. В этих приложениях предусмотрена масса средств для обработки растрового изображения, которые в какой-то мере аналогичны инструментам фотохудожника, но намного превосходят их по возможностям.

Векторная графика

Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще.

Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая).

Изображения в векторной графике, в отличие от растровых, существуют в виде набора математических формул (графических примитивов), которые описывают отдельные элементы рисунка - линии, дуги, окружности и т. д. Эти элементы являются дискретными, они не связаны между собой, и размеры их легко изменить без потери качества рисунка.

Основные типы линий: прямая линия, кривая второго порядка (парабола, не имеет точек перегиба) и кривая третьего порядка (имеет точки перегиба).

Для воспроизведения векторного изображения надо задать параметры рисунка на экране (разрешающую способность и размеры), после чего положение каждой точки рисунка просто рассчитывается по формулам, записанным в векторном графическом файле. Поэтому объекты векторной графики занимают значительно меньше места в памяти компьютера. Например, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. А в векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Для записи кривой третьего порядка необходимо девять параметров, для остальных - меньше. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии. Линия имеет свойства: форму, толщину, цвет и характер (сплошная, пунктирная и т. д.). Линии образуют контур. Контуры имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. С несколькими контурами можно выполнять операции группирования, комбинирования, объединения и т. д. Простейшая незамкнутая линия имеет две вершины, которые называются узлами.

. Векторные изображения создаются и редактируются средствами профессиональных приложений: CorelDRAW, Adobe Illustrator и др.

Сфера применения векторной графики очень широка. Во-первых, она играет огромную роль в компьютерной полиграфии. Векторными методами формируются не только шрифты TrueType, но и сотни разнообразных рисунков, которые легко масштабировать и использовать в печатных изданиях и видеоматериалах. Примерами таких рисунков являются рисунки, поставляемые в библиотеках рисунков Microsoft Clipart Gallery (файлы .WMF). Во-вторых, векторные методы незаменимы в конструкторской и научной деятельности - в системах компьютерного черчения, автоматизированного проектирования, в трехмерной графике и т. д.

Фрактальная графика

Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 г. для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы. Обычная снежинка, многократно увеличенная, оказывается фрактальным объектом. Фрактальные алгоритмы лежат в основе роста кристаллов и растений. Например, взглянув на ветку папоротникового растения, вы увидите, что каждая дочерняя ветка во многом повторяет свойства ветки более высокого уровня.

В отдельных ветках деревьев чисто математическими методами можно проследить свойства всего дерева. А если ветку поставить в воду, то вскоре можно получить саженец, который со временем разовьется в полноценное дерево.

Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций, создания узоров в текстильной промышленности и т. п.

Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании.

Основные понятия компьютерной графики

Одним из основных понятий компьютерной графики являйся разрешение. Различают три вида разрешения: экрана, печатающего устройства и изображения.

Разрешение экрана - это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows). Разрешение экрана измеряется в пикселах и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком.

Разрешение принтера - свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Оно измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

Разрешение изображения - свойство самого изображения. Оно измеряется в пикселах на дюйм (ppi) и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения - его физическим размером.

Физический размер изображения может измеряться как в пикселах, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом. Если изображение готовят для демонстрации на экране, его ширину и высоту задают в пикселах, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает. Если изображение готовят для печати, его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет. Нетрудно пересчитать размер изображения из пикселов в единицы длины или наоборот, если известно разрешение изображения.

Связь между линейным размером иллюстрации и размером файла при разных разрешениях отпечатка показана в следующей таблице.

Размер отпечатка	75dpi	150 dpi	300 dpi	600 dpi
Фотография (10x15 см)	380 Кбайт	1,5 Мбайт	6 Мбайт	24 Мбайт
Обложка журнала (25x30 см)	1,9 Мбайт	7,5 Мбайт	30 Мбайт	120 Мбайт