Искусство, развлечения и бизнес

Согласно проведенным мною исследованиям, вплоть до начала девяностых годов доходы от использования векторной графики в научно–инженерных приложениях были значительно выше, чем доходы в области бизнеса и других областях, непосредственно не связанных с наукой. Однако в 1991 году доходы были поделены в равной степени, а баланс теперь устойчиво сдвигается в сторону нетехнических приложений. Я считаю, что к 1998 году около двух третей всех доходов от компьютерной графики поступит именно из нетехнических областей применения. Некоторые из этих применений получили настолько широкое распространение, что возникли споры, насколько они действительно являются машинной графикой. Например, мультимедиа воспринимают отдельно от машинной графики, что, однако, не так, вследствие явного доминирования графических изображений.

"Классическая" векторная графика до сих пор используется в различных приложениях бизнеса, включая разработку концепции, тестирование и создание новых продуктов, но бизнес также стал лидирующим потребителем систем мультимедиа, например, в обучении или маркетинговых презентациях. Графика все шире проникает в бизнес – сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого–либо графического элемента. Соответствующее программное обеспечение специально разработано, чтобы позволить пользователям сконцентрироваться больше на содержании, а не на графическом исполнении.

Грядет всплеск использования графики в анимации, особенно в области индустрии развлечений. Кинофильм Стивена Спилберга "Парк Юрского периода" установил в 1993 году новый стандарт фотореализма в графике. Этот фильм не единичный случай применения 3D графики в кино, и Голливуд расширяет сферу использования специальных эффектов машинной графики, только в 1994 году выпустив несколько высокохудожественных фильмов: "The Lion King", "The Mask", "True Lies" и "Forrest Gump".

Виртуальная реальность находит свою нишу в индустрии развлечений и видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. По моим оценкам 30% (то есть 144 млрд. долл.) всего дохода от использования систем виртуальной реальности было получено в прошлом году именно от разного рода игр, и доходы от этих применений будут расти.

Лаборатория Media Lab МТИ является уникальным исследовательским центром разработки совершенных систем взаимодействия "человек–компьютер". Например, система News в проекте Future использует последние достижения в области графики, реконструкции звука и изображений, а также моделировании различных объектов для представления новых результатов исследований и их презентации в виде соответствующих текстов, графики, аудио и видео.

Векторная графика в Интернете

Ни для кого не секрет – сегодня, чтобы не затеряться на просторах Internet и привлечь к себе внимание пользователей, никак нельзя обойтись без графического оформления Web–страниц и узлов. Однако здесь на пути разработчиков возникает проблема: графические технологии для Web не поспевают в своем развитии за другими технологиями, и возможности в данной области остаются весьма ограниченными.

В самом деле, два наиболее популярных в настоящее время графических формата Internet – GIF и JPEG – являются уже довольно старыми. Конечно, неудачными назвать их никак нельзя, ведь сам факт столь длительного их существования – свидетельство этому. Но, с другой стороны, вряд ли можно поспорить с тем, что возможности данных форматов не отвечают современным требованиям в области графики. Так, формат GIF поддерживает только 256–битовый цвет, а в случае применения формата JPEG при большой степени сжатия существенно снижается качество изображения. Кроме того, еще в 1995 г. возможность свободного использования GIF оказалась под вопросом, когда компании Unisys, которой принадлежит реализованный в этом формате алгоритм сжатия LZW, и CompuServe, разработавшей сам формат, собрались взимать лицензионные отчисления с каждой программы, использующей его.

В сложившейся ситуации группа независимых разработчиков Internet приняла решение о разработке формата, который соответствовал бы или даже превосходил по своим возможностям GIF, но был при этом простым в создании и полностью мобильным. Новый формат получил название Portable Network Graphics (PNG) и был одобрен консорциумом W3C в 1996 г.

Формат PNG поддерживает 48–битовые цветные и 16–битовые черно–белые изображения и обеспечивает более быструю их загрузку, чем формат GIF. Он также включает в себя немало дополнительных возможностей, например альфа–каналы (alpha channel), позволяющие устанавливать уровень прозрачности для каждого пиксела, и гамма–коррекцию. Механизм сжатия изображения в PNG реализован на базе фильтров, позволяющих оптимизировать данные перед сжатием, и алгоритма LZ77, применяемого в ZIP–архиваторах.

Однако, несмотря на ряд преимуществ PNG пока не удалось стать реальной альтернативой GIF и JPEG. Виной тому было отсутствие поддержки со стороны разработчиков браузеров. Правда, к сегодняшнему дню в данном направлении произошли существенные сдвиги: начиная с Internet Explorer 4.0 и Netscape Navigator 4.04 поддержка PNG реализована непосредственно в броузерах; до этого она обеспечивалась за счет встраиваемых компонентов. По мнению ряда специалистов, вскоре можно ожидать широкого распространения нового формата (после массового перехода пользователей на последние версии популярных браузеров).

Следующим по популярности растровым форматом для Web можно назвать FlashPix, разработанный группой компаний: Kodak, Hewlett–Packard, Microsoft и Live Picture. Он базируется на принципах JPEG–компрессии, но содержит ряд усовершенствований, которые позволяют уменьшить степень искажения изображений. Основное преимущество данного формата – многоуровневая организация файла. В начале загружается изображение с самым низким разрешением и впоследствии, по мере надобности, подкачивается более качественная версия. Microsoft избрала модификацию этого формата в качестве основы для своего растрового редактора PhotoDraw 2000, так что в недалеком будущем следует ожидать поддержки его браузером Internet Explorer.

Интересной разработкой обладает компания Iterated Systems, которая создала свой формат на основе фрактальной компрессии (Fractal Image Format, FIF), а также выпустила программу преобразования основных форматов в FIF и плагины для просмотра сжатых по фрактальному алгоритму изображений в основных браузерах.

К сожалению, фрактальная компрессия, как и JPEG, имеет существенный недостаток: согласно этим алгоритмам, для анализа изображение перед сжатием разбивается на отдельные блоки, что затрудняет его постепенную прорисовку при загрузке с Web–сайта.

Наиболее перспективные – растровые форматы, основанные на алгоритмах wavelet–сжатия. В этой области ведут разработки практически все компании, которые занимаются созданием графических форматов. Самым многообещаемым является, безусловно, JPEG 2000. Работа над ним еще не завершена, но заявленные параметры впечатляют: 256 каналов цвета, что позволит формату работать с любым цветовым пространством и поддерживать множество альфа–каналов; встраивание ICC–профилей; неограниченное поле для метаданных. Но главное преимущество wavelet–технологии – потоковость. Wavelet–поток можно прервать в любое время, при этом изображение все равно воспроизводится, только качество его будет зависеть от количества загруженных данных.

Компания AT&T разработала и собственный формат на основе wavelet–компрессии – DjVu. Его главная особенность – распознавание текста при компрессии содержащих его изображений и сжатие отдельно графического и текстового слоя. По утверждению компании, основным предназначением этого формата и является публикация в Web сканированных документов. На сайте AT&T по адресу можно получить бесплатный плагин для просмотра DjVu –файлов, а также целую библиотеку, опубликованную в этом формате.

Как бы ни были хороши вышеперечисленные форматы, всех их объединяет один недостаток – растр. Например, реализованные с их помощью изображения довольно сложно модифицировать и даже масштабировать. Кроме того, несмотря на использование различных методов сжатия, они все–таки имеют немалый размер, а следовательно, и относительно большое время загрузки, что для Web–графики является особенно критичным.

Векторная графика основана не на хранении информации о каждом пикселе, а на командах рисования линий и заполнения форм. Используется она уже довольно давно, но в отличие от традиционных замкнутых форматов векторные форматы для Web построены на базе открытых стандартов, главным образом языков маркировки, в которых для определения тегов и других элементов применяется обычный текст, что значительно упрощает манипулирование свойствами изображений. Преимуществами векторной графики на основе языков маркировки являются также возможности выбора, индексирования и поиска элементов изображения и привязки ее к другим элементам.

Однако говорить о массовом внедрении векторной графики в Web пока еще рано, в первую очередь из–за отсутствия единого формата.

Наиболее распространенным в данный момент является формат, разработанный компанией Macromedia, – Flash. Благодаря своим уникальным возможностям его последняя (третья) версия очень быстро завоевала популярность. Flash 3 поддерживает анимацию по кейфреймам, морфинг, прозрачные объекты, гиперссылки, встраивание звуковых и видеофайлов. Средства для его создания достаточно просты в пользовании, хорошо документированы, плагины для просмотра распространяются бесплатно, а размер выходных файлов крайне мал.

Но все его преимущества, к сожалению, блекнут перед одним единственным недостатком, который заставил Macromedia отказаться от дальнейшей разработки формата. Этот недостаток – закрытость, ведь файл Flash – двоичный. Таким образом, его можно редактировать только в специальной программе. Поэтому в последнее время различными компаниями и организациями предложен целый ряд языковых форматов, и каждый из них претендует на роль единого стандарта. В число таких форматов входят Web Schematics, DrawML, PGML и VML.

Web Schematics представляет собой язык гипертекстовой маркировки для создания чертежей и диаграмм. Его разработчики попытались создать аналог функций рисования, используемых в базовых графических средствах систем воспроизведения документов, таких, как Adobe FrameMaker и Microsoft Word. Данный формат использует модели рендеринга и представлений HTML и CSS1.

Технологии обработки графической информации Основные понятия Свет – это электромагнитное излучение. Излучаемый свет – это свет, выходящий от источника, например, Солнца, лампочки или экрана монитора. Отраженный свет – это свет, отразившийся от поверхности объекта. Именно его мы видим, когда смотрим на какой-либо предмет, не являющийся источником света. Бумага, на которой мы печатаем изображение, отражает свет. Излучаемый свет, идущий непосредственно от источника к глазу человека, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. Но этот свет может измениться при отражении объекта (рис. 1). РИС. 1. ИЗЛУЧЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА Цветовые модели Для описания цветовых оттенков, которые могут быть воспроизведены на экране компьютера и на принтере, разработаны специальные средства – цветовые модели (системы цветов). Цвет может получиться в процессе излучения и в процессе отражения, поэтому цветовые модели можно классифицировать по их целевой направленности: 1. Аддитивные модели (RGB)— служат для получения цвета на мониторе. 2. Полиграфические модели (CMYK) — служат для получения цвета при использовании разных систем красок и полиграфического оборудования. 3. Математические модели, полезные для каких-либо способов цветокоррекции, но не связанные с оборудованием, например HSВ. Цветовая модель RGB С экрана монитора человек воспринимает цвет как сумму излучения трёх базовых цветов: красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue). Такая цветовая модель называется RGB (по первым буквам). Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). На поверхности экрана компьютера расположены тысячи фосфоресцирующих цветовых точек. Цветовые точки излучают свет под воздействием электронного луча. Так как размеры точек малы (на экране монитора - 0,0118 дюйма в диаметре), соседние разноцветные точки сливаются, формируя все другие цвета и оттенки. Цвет на экране получается при суммировании лучей трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Минимальная интенсивность трех базовых цветов дает черный цвет. Red(100%)+ Green(100%)+ Blue(100%) = БЕЛЫЙ Red(0%)+ Green(0%)+ Blue(0%) = ЧЕРНЫЙ Для описания каждого составляющего цвета требуется 1 байт (8 бит) памяти, а чтобы описать один цвет (сложение 3-х), требуется 3 байта, т.е. 24 бита, памяти – глубина цвета. Интенсивность каждого из трех цветов - это один байт (т.е. число в диапазоне от 0 до 255), т.е. каждая составляющая может принимать 256 значений. Таким образом, с использованием трех составляющих можно описать 256 * 256 * 256 = 16777216 различных цветовых оттенков, а значит, модель RGB имеет приблизительно 16,7 миллионов различных цветов. Таким количеством цветов определяется, в основном, палитра современного монитора. Цветовая модель CMYK Система CMYK в отличие от RGB основана на восприятии не излучаемого, а отражаемого цвета. При печати изображений на принтерах используется цветовая модель, основными красками в которой являются голубая (Cyan), пурпурная (Magenta) и желтая (Yellow). Они являются дополнением основных цветов до белого: Белый = Red– (Green + Blue), где Green + Blue = Cyan - голубой Белый = Green – (Red+ Blue), где Red+ Blue = Magenta – пурпурный Белый = Blue– (Red+ Green), где Red+ Green= Yellow – желтый Чтобы получить черный цвет, в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета (BlacK). Так получается четырехцветная модель, называемая CMYK. методы представления и хранения изображения Режим TrueColor Если для кодирования цвета отвести 1 байт памяти, (а 1 байт = 8 битам, а бит может определить два значения), то возможно будет закодировать 2 256 8 оттенков (значений) цвета. Три цвета (красный, зелёный, синий) в этом случае смогут передать 256 х 256 х 256 = 16 777 216 различных оттенков. Такой объем кодирования называют TrueColor. TrueColor (истинный цвет) – это 24-битный цвет, позволяющий отобразить точную (реалистичную) цветопередачу в объеме более 16 млн цветов, полутонов и оттенков. Режим HighColor Нigh color (высококачественный цвет) использует 15- и 16-битовое кодирование цвета. Обеспечивает качество изображения, близкое к качеству цветной фотографии в объеме 2 65536 16 оттенков цвета. Режим индексирования цветов Индексный режим базируется на заранее созданной таблице (палитре) цветовых оттенков. Нужный цвет выбирается из этой таблицы с помощью номера – индекса, который занимает всего один байт памяти. Данные растровой графики, использующие палитру, представляют собой массив, где хранятся номера (индексы) цветов в палитре. Палитра (в компьютерной графике) — это ограниченный набор цветов, который позволяет отобразить графическая система компьютера. Сравнение с HighColor и TrueColor Преимущества: малый расход памяти и быстрые палитровые спецэффекты (используемые в видеоиграх(вспышки)). Недостатки: неполный набор цветов и потребность в больших вычислительных ресурсах при построении оптимальной палитры для полноцветного изображения. Векторная графика и растровая графика Компьютерная графика – это специальная область информатики, изучающая методы и способы создания и обработки изображений на экране компьютера с помощью специальных программ. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую и векторную. Для создания растровых или векторных изображений существуют специальные программы – редакторы. Растровая графика Весь массив элементарных единиц изображения называют растром (лат. rastrum – грабли). Растровое изображение представляет картину, состоящую из мозаики точек на экране, имеющих такие атрибуты как координаты и цвет. В простейшем случае в растровом изображении содержатся цвета последовательности точек (пикселей), одна за другой формирующих рисунок. Пиксель (picsel – PICture'S ELement) – наименьший элемент изображения на экране компьютера. Размер экранного пикселя приблизительно 0,0018 дюйма. Самыми близкими аналогами растровой графики является живопись, фотография. Достоинства растровой графики: 1) реалистичность изображения. 2) Возможность получения изображений сканированием/ фотографированием. (Процедура разбиения изображения на пиксели называется растеризацией, или оцифровкой, изображения). К недостаткам можно отнести: 1) Резкое ухудшение качества при редактировании изображения. 2) Большой объем файлов. Растровые редакторы МS Paint, Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, Painter FreeHand . Векторная графика Векторная графика - это изображение, состоящее из простых элементов, называемых примитивами: линий, окружностей, прямоугольников, закрашенных областей. Границы областей задаются кривыми. Файл, отображающий векторное изображение, содержит начальные координаты и параметры примитивов – векторные команды. Самым близким аналогом векторной графики является графическое представление математических функций. Например, для описания отрезка прямой достаточно указать координаты его концов, а окружность можно описать, задав координаты центра и радиус. Информация о цвете объекта сохраняется как часть его описания, т.е. тоже в векторной команде. Векторные команды сообщают устройству вывода о том, что необходимо нарисовать объект, используя заложенное число элементов-примитивов. Чем больше элементов используется, тем лучше этот объект выглядит. В этих программах одновременно с инструментами рисования и командами предусмотрено специальное программное обеспечение, формирующее векторные команды, соответствующие объектам, из которых состоит рисунок. Файлы векторной графики могут содержать растровые объекты. Достоинства векторной графики: 1) изображения занимают относительно небольшой объем памяти, 2) векторные объекты могут легко масштабироваться без потери качества. 3) развитые средства интеграции изображений и текста, единый подход к ним. Недостатки векторной графики: 1) Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества. 2) Векторные изображения описываются тысячами команд. В процессе печати эти команды передаются устройству вывода (принтеру). Чаще всего изображение на бумаге выглядит нетак как на экране монитора. Для получения векторных изображений используются программы иллюстративной графики Adobe Illustrator, Corel Draw, Adobe PhotoShop, программы для создания чертежей AutoCAD, ArchiCAD и др. Элементы векторной графики имеются также в программах пакета Microsoft Office. Форматы графических файлов Формат графического файла определяет способ хранения графической информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия для уменьшения объёма файла). Векторные форматы Файлы векторного формата содержат описания рисунков в виде набора команд для построения простейших графических объектов. Кроме того, в этих файлах хранится дополнительная информация. Различные векторные форматы отличаются набором команд и способом их кодирования. В таблице 1 приведены некоторые векторные форматы и программы, которые их открывают. ТАБЛИЦА 1. ВЕКТОРНЫЕ ФОРМАТЫ ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛОВ Название формата Программы, которые открывают формат WMF (Windows MetaFile) (расширение файлов - .wmf) формат операционной системы Windows для хранения векторных изображений; поддерживается всеми Windows-приложениями. Однако отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение. CDR CorelDraw собственный формат векторного редактора Corel Draw, поддерживается другими векторными редакторами и настольные издательские системы: FreeHand, Illustrator, PageMaker Растровые форматы Размер растрового изображения хранится в виде отдельной записи, цвета всех пикселей и запоминается как один большой блок данных. Растровое представление изображения достаточно громоздкое. Решением проблемы хранения растровых изображений является сжатие, т.е. уменьшение размера за счет изменения способа организации данных. В таблице 2 представлены наиболее распространенные растровые форматы. ТАБЛИЦА 2. РАСТРОВЫЕ ФОРМАТЫ ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛОВ Название формата Программы, которые открывают формат BMP (Windows Device Independent Bitmap) расширение файлов - .bmp) Формат BMP является стандартным форматом MS Windows, однако, большого распространения не получил из-за больших размеров файлов, особенно при сохранении графики с максимальным количеством цветов - 16,7 млн. TIFF (Tagged Image File Format) Большинство растровых редакторов и настольных издательских систем; векторные редакторы, поддерживающие растровые. TIFF — был создан в качестве универсального формата для цветных изображений. Формат TIFF позволяет записывать как цветные изображения с максимальным количеством цветов 16,7 млн., так и монохромные изображения без потери качества в несжатом или почти несжатом виде. Более того, в файлах этого формата можно хранить изображения в разных цветовых моделях, например в CMYK (используется в основном для полиграфии). Недостаток формата TIFF заключается в том, что файлы, в этом формате, занимают много места на носителе информации. GIF (Graphic Interchange Format) (расширение файлов - .gif) Стандартизирован в 1987 г. как средство хранения изображений с фиксированным (256) количеством цветов, из-за этого применяется исключительно в электронных публикациях. Название формата Программы, которые открывают формат Благодаря компактности файлов широко используется для размещения графических изображений на Web- страницах в Интернете. Формат GIF - предназначен для хранения «рисованных» изображений: чертежей, графиков и рисунков, - GIF-рисунок может быть «прозрачным». То есть, один цвет можно удалить из палитры GIF, определив его как прозрачный. Тогда при отображении, сквозь точки, окрашенные в этот цвет, на рисунке будет виден фон. - возможность загружать GIF-рисунок, так называемым, чересстрочным методом. Если графический файл имеет большой размер и загружается из Интернета долго, пользователь увидит вначале как бы нечѐткие контуры будущего рисунка, а по мере загрузки изображение будет постепенно «проявляться», что достигается очень простым приѐмом - изменением порядка загрузки строк изображения. - GIF-файлы могут содержать целые анимационные фрагменты. На самом деле, эти фрагменты представляют собой последовательности нескольких статичных кадров, а также информацию о том, сколько времени каждый кадр должен задерживаться на экране. JPEG (Joint Photographic Experts Group) (расширение файлов - .jpg) программы редактирования растровой графики, векторные редакторы, поддерживающие растровые объекты. JPEG – формат реализует эффективный алгоритм сжатия для изображений. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере качества изображения. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете. Применяемые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации. Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. PSD (PhotoShop Document) (расширение файлов - .psd) PSD – собственный формат популярного растрового редактора Adobe Photoshop. Он позволяет записывать изображение со многими слоями, их масками, дополнительными каналами, контурами и другой информацией.