Основы представления графических данных

Виды компьютерной графики

Компьютерной графики - это специальная область информатики, которая изучает методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Распространение компьютерной графики началось с полиграфии, но вскоре она получила широкое распространение во всех областях человеческой деятельности. Компьютерную графику можно разделить на несколько направлений:

полиграфия

двухмерная графика

web-дизайн

мультимедиа

3D-графика и компьютерная анимация

видеомонтаж

САПР и деловая графика

Для каждой сферы применения создано свое программное обеспечение, включающее разные специальные программы.

Полиграфия

Компьютерная графика начала свое распространение с полиграфии, в которую входит работа в периодических изданиях, создание визиток, бланков, рекламных листовок, буклетов и плакатов. Для реализации этих задач предназначены программы верстки. Программы верстки страниц дают возможность соединить вместе текстовую и графическую информацию для создания бюлетений, журналов и т. д. Среди наиболее популярных программ можно выделить Adobe Page Maker и QuarkXPress. Большинство программ верстки страниц используются для компоновки различных элементов на странице, а не для того, чтобы с нуля создавать в них текстовые или графические файлы. Тексты объемных документов набираются в текстовых редакторах. Графика часто создается в программах черчения (деловой графики) и редактирования изображений. Затем созданные ранее файлы импортируются в программу верстки страниц. Пакеты компьютерной графики для полиграфии позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством.

Двухмерная графика

Многие пользователи ПК связывают понятие компьютерной графики с программами, предназначенными для редактирования двухмерных цифровых изображений. Это программное обеспечение по принципу действия и функциональному назначению можно разделить на три группы:

- Растровая графика

- Векторная графика

- Фрактальная графика

Двухмерная или 2D-графика – это основа всей компьютерной графики. Ни один компьютерный художник-дизайнер не может работать над своими проектами без понимания базовых положений двухмерной графики.

Растровые программы.

Большинство программ для редактирования изображений - Adobe Photoshop, Corel Photo Paint или MS Paint – являются растровыми программами. В них изображение формируется из решетки крошечных квадратиков, называемых пикселями. Поскольку каждый пиксель на экране компьютера отображен в специальном месте экрана, то программы, которые создают изображение таким способом, называются побитовыми или программами с побитовым отображением (bitmap). Решетку (или матрицу), образуемую пикселами, называют растром.

Растровые программы предназначены в основном для редактирования изображений, обеспечивая возможность цветокоррекции, ретуши и создания спецэффектов на базе цифровых изображений.

Векторные программы

Изображение, созданное в векторных программах, основывается на математических формулах. Составляющие основу таких изображений кривые и прямые линии называют векторами. Так как при задании объектов на экране используются математические формулы, то отдельные элементы можно легко перемещать, увеличивать или уменьшать без эффекта ступенек. Векторные программы обычно используются тогда, когда нужны четкие линии. Они часто применяются при создании логотипов, шрифтов для вывода на плоттер и чертежей

О фрактальной графике разговор особый. Фракталом называется объект, имеющий разветвленную структуру, части фрактала подобны всему объекту. Фрактальная графика, как и векторная, вычисляемая и занимает промежуточное положение между растровыми и векторными программами. Кроме того, фрактальные узоры часто используются в качестве красивых фрактальных заливок в редакторах растровой и векторной графики, а также для создания линий побережья, облаков, деревьев и т.д.

Мультимедиа

Мультимедиа – это область компьютерной графики, связанная с созданием интерактивных энциклопедий, справочных систем, обучающих программ и интерфейсов к ним. В отличие от полиграфии, где дизайнер-полиграфист сотрудничает с печатником, дизайнер-мультимедийщик сотрудничает с программистом. Здесь требования к графике уже другие. В полиграфии файлы должны иметь большое разрешение. В результате файлы занимают десятки и сотни мегабайт. В мультимедиа ограничением служит разрешение экрана и требование минимизации размеров файлов. Здесь контроль за качеством проще. Примером программ создания мультимедиа являются Macromedia Director или MS Power Point.

Word Wide Web (веб-дизайн)

Особую значимость изображения приобрели с развитием глобальных компьютерных сетевых технологий. В настоящее время это одна из наиболее бурно развивающихся областей применения компьютерной графики. Требования к созданию изображений для WWW очень противоречивы. С одной стороны, жесткие ограничения по снижению размеров файлов для минимизации времени их передачи по сети, с другой – необходимость сохранения качества передаваемого изображения. Каждый формат передаваемых изображений имеет свои особенности. К тому же WWW имеет свою область цветового охвата, что необходимо учитывать при создании изображений.

3D – графика и компьютерная анимация

3D-графика – это создание искусственных предметов и персонажей, их анимация и совмещение с реальными предметами и интерьерами. На сегодняшний день определилось несколько перспективных направлений ее использования.

• Широкое применение 3D-графика находит в индустрии компьютерных игр. Анимационные заставки, интерфейсы и персонажи компьютерных игр создаются в программах 3D-графики.

• Другая область применения 3D-графики - телевизионная реклама и оформление телевизионных каналов.

• Многие архитекторы и дизайнеры используют 3D-графику для построения макетов зданий и трехмерных моделей архитектурных памятников, которых еще не существует в природе.

Освоение 3D-графики требует много времени и мощных системных ресурсов. Чтобы результат выглядел фотореалистично, необходимо освоить не только 3D-моделирование, но и уметь правильно осветить сцену, найти хороший ракурс камер, подобрать материал и текстуры.

САПР и деловая графика

Программы САПР (или CAD) представляют собой векторные программные средства.

Одно из главных применений составляет их использование в различных областях конструкторской деятельности - от проектирования микросхем до создания самолетов.

Другой важной областью применения САПР является архитектура. Так фирма McDonald’s уже с 1987 года использует машинную графику для архитектурного дизайна, размещения посадочных мест, планирования помещений и проектирования кухонного оборудования.

САПР используют и в медицине. Например, автоматизированное проектирование имплантантов, особенно для костей и суставов.

Среди программ моделирования под Windows лидером является программ AutoCAD. Это мощная система машинного проектирования, которую иногда рассматривают как электронный кульман, позволяющий:

Реализовать основные операции по созданию и редактированию линий, дуг и текста;

Синтезировать 2D и 3D-модели;

Автоматизировать решения многих задач;

Адаптировать и настроить систему на конкретные приложения, создавая собственные сценарии и приложения.

Такая программа даже способна сформировать бюджет крупных архитектурных и инженерных проектов.

Особенностью других (кроме AutuCAD) программ данного типа является их предметная направленность. Поэтому их использование предусматривает знание не только основ компьютерной графики, но и самого предмета проектирования. Поэтому программы класса CAD сложны в освоении и использовании.

Видеомонтаж

Видеомонтаж можно условно разделить на два вида:

Спецэффекты в кино;

Подготовка телевизионных передач

Спецэффекты – это то, что мы видим или не видим в кино, начиная от простого стирания страховок и заканчивая совмещением виртуальных пейзажей с живыми актерами.

Видеомонтаж отличается от других направлений компьютерной графики тем, что манипулирует живыми картинками и использует свою технологию работы. На сегодняшний день наиболее популярная программа в этой области – Adobe Premier.

Растровая графика

Растровый файл состоит из точек, число которых определяется разрешением, измеряемым обычно в точках на дюйм (dpi) или на сантиметр (dpc). Пиксель – минимальный элемент растровой графики. Очень важным фактором, влияющим, с одной стороны, на качество вывода изображения, а с другой - на размер файла, является глубина цвета, т.е. число разрядов, отводимых для хранения информации о трех составляющих (если это цветная картинка) или одной составляющей (для полутонового не цветного изображения). Атрибут пикселя – это количество бит, отводимых на кодирование цвета пикселя. Например, при использовании модели RGB глубина 24 разряда на точку означает, что на каждый цвет (красный, синий, зеленый) отводится по 8 разрядов и поэтому в таком файле может храниться информация о 2^24 = 16,777,216 цветах (Обычно в этом случае говорят о 16 млн. цветов). Очевидно, что даже файлы с низким разрешением содержат в себе тысячи или десятки тысяч точек. Так, растровая картинка размером 1024х768 точек и с 256 цветами занимает 768 Кбайт. По сравнению с векторными форматами растровые устроены проще. Это прямоугольная таблица или матрица bitmap, в каждой ячейке или клетке которой установлен пиксель.

Считывание информации из файла растрового изображения сводится к следующим действиям:

1 - Определяется размер изображения в виде произведения пикселей по горизонтали и вертикали;

2 - Определяется размер пикселя;

3 - Определяется битовая глубина, она характеризует информационную емкость пикселя в битах или цветовую разрешающую способность (количество цветов).

В цветовом RGB изображении каждый пиксель кодируется 24-битовым числом, поэтому в каждой ячейке битовой матрицы хранится число из 24 нулей и единиц.

Векторная графика

Векторный способ записи графических данных применяется в системах автоматического проектирования (CAD) и в графических пакетах. Минимальный элемент векторной графики – линия. В этом случае изображение состоит из простейших элементов (линия, ломаная, кривая Безье, эллипс, прямоугольник и т.д.), для каждого из которых определен ряд атрибутов (например, для замкнутого многоугольника - координаты угловых точек, толщина и цвет контурной линии, тип и цвета заливки и т.д.). Записывается также место объектов на странице и расположение их друг относительно друга (какой из них "лежит" выше, а какой ниже). Векторный формат является доказательством идеи древнегреческий математиков о том, что любую существующую в природе форму можно описать, используя геометрические примитивы и компас.

У каждого метода есть свои преимущества. Растровый позволяет передавать тонкие, едва уловимые детали образов, векторный же лучше всего применять, если оригинал имеет отчетливые геометрические очертания. Векторные файла меньше по объему, зато растровые быстрее вырисовываются на экране дисплея, так как для вывода векторного изображения процессору необходимо произвести множество математических операций. С другой стороны, векторные файлы гораздо проще редактировать и редактировать без потерь, при уменьшение растрового изображения можно потерять некоторые пиксели.

Существует множество программ-трансляторов, переводящих данные из векторного формата в растровый. Как правило, такая задача решается довольно просто, чего нельзя сказать об обратной операции - преобразовании растрового файла в векторный и даже о переводе одного векторного файла в другой. Векторные алгоритмы записи используют уникальные для каждой фирмы-поставщика математические модели, описывающие элементы изображения

Представление графических данных

Форматы графических данных

Способ организации информации в файле называется форматом хранения изображения. В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом «де-факто» и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовмести­мые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Все множество форматов условно делится на три категории:

Форматы, хранящие изображения в растровом виде: BMP, TIFF. PCD, PSD, JPEG, PNG, GIF;

Форматы, хранящие информацию в векторном виде: WMF;

Универсальные форматы (векторное и растровое представление): EPS, PICT, CDR – формат Coral Draw.

Основные критерии выбора формата – это совместимость программ и компактность записи. По сравнении с векторным растровый формат устроен проще. Это прямоугольная таблица или матрица bitmap, в каждой ячейке или клетке которой установлен пиксел. Считывание информации из файла растрового изображения сводится к следующему:

Определяется размер изображения в виде произведения пикселов по горизонтали и вертикали;

Определяется размер пиксела;

Определяется битовая глубина, она характеризует емкость пиксела в битах или цветовую разрешающую способность, т.е. количество цветов. В цветном RGB изображении каждый пиксел кодируется 24-битовым числом, поэтому в каждой ячейки битовой матрицы хранится число из 24 нулей и единиц.

Многие при­ложения ориентированы на собственные «специфические» форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в «стандартный» формат.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла .ТIF), данный формат поддерживается основными растровыми и векторными редакторами. Он относится к числу широко распространенных, отличается переносимостью между платформами (IBM PC к Apple Macintosh), обеспечен поддержкой со стороны большинства графических, верстальных и дизайнерских программ. Предусматривает широкий диапазон цвето­вого охвата — от монохромного черно-белого до 32-разрядной модели цветоделе­ния CMYK. Начиная с версии 6.0 в формате TIFF можно хранить сведения о масках (контурах обтравки) изображений. Данный формат – это лучший выбор для импорта растровой графики в векторные программы. Для уменьшения размера файла применяется встроенный алгоритм сжатия без потерь LZW (возможно сжатие до 50%)..

PSD (PhotoShop Document). Собственный формат программы Adobe Photoshop (расширение имени файла .PSD), один из наиболее мощных по возможностям хране­ния растровой графической информации. Позволяет запоминать параметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества масок. Поддерживаются 48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели. Основной недостаток выражен в том, что отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации приводит к большому объему файлов, однако этот формат постоянно совершенствуется. Еще один формат программы Adobe Photoshop имеет расширение PDF – это аппаратно-независимый растровый формат, в этом формате документ хранится целиком.

Windows Bitmap. Формат хранения растровых изображений в операционной системе Windows (расширение имени файла .BMP). Соответственно, поддерживается всеми приложениями, работающими в этой среде, данный формат обеспечивает быстрый вывод изображений, но из-за очень больших размеров файла используется только для нужд Windows.

WMF (Windows Meta File) – формат хранения векторных изображений ОС Windows, он искажает цвет изображений.

EPS – универсальный формат хранения изображений, как векторных, так и растровых на языке PostScript. На экране векторное изображение представляется в формате WMF, а растровое в формате TIFF.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения растровых изображений (расширение имени файла .JPG). Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применя­емые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации, поэтому формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций, т.к. алгоритм сжатия приводит к потери качества изображения. Этот формат не рекомендуется использовать, если важны цветовые нюансы, в формате .JPEG хранят только конечный результат, т.к. каждое промежуточное хранение в данном формате приводит к потерям.

GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован в 1987 году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов (расши­рение имени файла .GIF). Получил популярность в Интернете благодаря высокой степени сжатия. Последняя версия формата GIF89a позволяет выполнять черес­строчную загрузку изображений и создавать рисунки с прозрачным фоном. Чересстрочноя запись изображения означает, что в начале файла хранятся строки изображения с номерами, кратными восьми, затем кратными четырем и т.д. Просмотр идет с нарастающим уровнем детализации, видно приблизительное изображение до завершения полной загрузки. Ограни­ченные возможности по количеству цветов обусловливают его применение исклю­чительно в электронных публикациях.

Основные стандарты расширения файлов

.com .exe	Исполняемые файлы
.bat	Командные файлы
.txt	Текстовые файлы
.doc	Файлы Word
.xls	Файлы Excel
.bmp gif jpg	Файлы рисунков
.zip .rar .arj	Архивные файлы
.htm .html	Файлы, используемые в Интернете

Алгоритмы сжатия изображений

В настоящее время не существует алгоритмов, одинаково сжимающих файлы любых форматов. Степень сжатия изображений может колебаться от 4:1 до 200:1. Различают алгоритмы сжатия с потерями качества изображения и без потерь. Суть алгоритмов сжатия без потерь в том, что при наличии больших областей однотонной закраски или однотипных узорах в растровых изображениях повторяющиеся одинаковые пиксельные области запоминают один раз и впоследствии повторяют его необходимое количество раз. При этом в исходных данных ничего не отбрасывается и не теряется. Такие алгоритмы используются в форматах TIFF или GIF. Пример такого алгоритма – LZW.

Алгоритмы сжатия с потерями приходиться использовать, если имеют дело с фотографическими изображениями, у которых нет повторяющихся узоров или больших областей однотонной закраски. В растровом рисунке, который имеет много слегка отличающихся друг от друга оттенков (пикселов) большие области могут заполняться пикселами одного цвета. Важным моментов в применения сжатия с потерями является определение приемлемого уровня потерь.

Понятие цвета

Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зритель­ного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов.

Световой поток формируется излучениями, представляющими собой комбинацию трех «чистых» спектральных цветов (красный, зеленый, синий — КЗС) и их про­изводных (в англоязычной литературе используют аббревиатуру RGB — Red, Green, Blue). Для излучающих объектов характерно аддитивное цветовоспроизведение (световые излучения суммируются), для отражающих объектов — субтрактивное цветовоспроизведение (световые излучения вычитаются). Примером объекта пер­вого типа является электронно-лучевая трубка монитора, второго типа — полигра­фический отпечаток.

Способы описания цвета

В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое назва­ние — глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно-белого изобра­жения достаточно одного бита (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков (такой режим называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называют True Color).

С практической точки зрения цветовому разрешению близко понятие цветового охвата. Под цветовым охватом понимают диапазон цветов, который можно воспроизвести с помощью устройств вывода. Цвет – это точка в трехмерном пространстве. Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, которая образует цветовое пространство. Цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве. Первый закон

Цветовая модель CIE Lab

В1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I'Eclairage — международная комиссия по освещению. L,a,b — обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независи­мой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIE Lab любой цвет определяется светлотой (I) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится пре­образовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фото­химических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.

Цветовая модель RGB

Рис. 6. Аддитивная цветовая модель RGB

Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов — красного (Red), зеле­ного (Green), синего (Blue). Она служит основой при создании и обработке компью­терной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мони­торе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому — максимальные, с координатами (255,255,255).

Цветовая модель HSB

Рис. 7 Цветовая модель HSB

Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприя­тия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности — чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекры­вает все известные значения реальных цветов.

Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специ­альные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается ими­тация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации.

Цветовая модель CMYK, цветоделение

Рис. 8 Цветовая модель CMYK

Цветовая модель CMYK относится к субтрактивным, и ее используют при подго­товке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полу­ченные вычитанием основных из белого:

голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий;

пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий;

желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.

Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печат­ных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY — наложение друг на друга дополни­тельных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK).

Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.

Раздел № 5

Локальные и глобальные сети ЭВМ. Защита информации в сетях.

Понятие сетей, локальные, глобальные сети, сетевые устройства. Топология сети, способы передачи информации в сети. Уровни модели связи. Интернет, службы и протоколы Интернета. Методы защиты информации, программных и аппаратных средств. Виды вирусов. Методы борьбы с вирусами. Антивирусные программы. Криптографические функции, симметричное и несимметричное кодирование, электронно-цифровая подпись.