1. Графические данные и их классификация.

По определению стандарта ISO1/IEC2 2382-1 компьютерная графика - это методы и способы создания, обработки, хранения и отображения изображений с помощью компьютера.

ISO – International Standard Organization – Международная организация стандартов, занимающаяся подготовкой, выпуском и распространением международных стандартов. IEC – International Electrotechnical Commission – Международная электротехническая комиссия.

Раздел компьютерной графики, связанный с решением прикладных задач в области техники, называется инженерной графикой. Инженерная графика связанна с использованием технологий компьютерной графики в промышленных системах (в том числе в САПР, АСУ, АСУТП и т.п.).

Предметом изучения компьютерной графики являются математические модели, методы и алгоритмы, предназначенные для построения, обработки и вывода графических (плоских) и геометрических (объемных) объектов и ориентированные на использовании в современных информационных системах и системах автоматизации.

Компьютерная графика базируется на трех основных компонентах:

• графические данные;

• алгоритмы обработки графических данных;

• аппаратные средства компьютерной графики.

Компьютерная графика является наиболее мощным и гибким средством взаимодействия человека с компьютером. По разным оценкам - от 70% до 90% информации воспринимается человеком через зрительную систему. Поэтому средства компьютерной графики и инженерной графики используются в первую очередь при создании интерфейса.

Множество графических данных можно классифицировать по нескольким признакам. Наиболее часто используются классификации:

● по размерности графической информации,

● по форме представления и

● по типу информации.

Кроме того, можно рассматривать классификации графических данных:

● по форматам хранения,

● по методам сжатия, используемым при этом,

● по уровням потерь графических данных,

● по количеству цветов (глубине цвета) и т.п.

По размерности информация в современных графических системах делится на двумерную и трехмерную. Двумерная информация (2D-data - от англ. 2 Dimensional Data) отображается на плоскости (экрана монитора, листа бумаги – см. рис.1, 4), а трехмерная (3D-data - от англ. 3 Dimensional Data) - существует в трехмерном пространстве и для того, чтобы ее увидеть на современных плоских устройствах отображения (экранах мониторов, листе бумаги) необходимо получить ее плоскую проекцию (рис.2, 4). Положение элементов 2D - изображений – пикселей3 (от англ. pixel - pictures element - элемент изображения) - определяется двумя координатами, а элементов 3D-изображений - вокселей4 (от англ. voxel – volume pictures element - элемент объема) - тремя координатами.

Кроме того, многие современные графические редакторы, предназначенные для работы с двумерной информацией, позволяют имитировать эффекты объема и пространства (например, при помощи наложения теней в многослойных 2D-изображениях). Такая информация получила название 2,5D-мерной. Подобные изображения используются в современной рекламе и дизайне, а также при оформлении мультимедийных и игровых программ. Пионером в данной области, а также законодателем стандартов является фирма Adobe Systems Inc. (и ее программный продукт Photoshop).

В отдельных случаях в компьютерной графике применяются многомерные геометрические объекты, существующие в пространствах размерности более трех. Подобные модели можно встретить в программных средствах научной графики (используемой в основном для отображения результатов расчетов, а также натурных и вычислительных экспериментов) и в мощных системах автоматизации проектирования. В последнее время подобные модели стали использоваться и в дизайнерских программах (например, фильтр Frax4D из комплекта фильтров Кая Краузе KPT5). Для отображения подобных многомерных геометрических объектов необходимо получить их плоскую проекцию.

По форме представления графическая информация делится на растровую, векторную и комбинированную (метафайловую), представляемую в виде метафайлов.

Растровые изображения представляют собой совокупность (матрицу) точек. Каждая точка определяется своими координатами и цветовыми характеристиками. Положение упомянутых выше пикселей определяется (x,y)-координатами, а вокселей - (x,y,z)-координатам.

Растровая информация чаще всего характеризуется показателями цвета - количеством цветовых характеристик и количеством бит информации на одну такую единицу. В качестве цветовых характеристик могут выступать цветовые каналы, или абстрактные координаты. Например, в современных электронно-лучевых трубках используется кодирование цвета в виде трех составляющих (каналов) - красного, зеленого и синего (Red, Green, Blue - RGB-модель). При дешевой печати могут использоваться также три канала - голубой, малиновый и желтый (Cyan, Magenta, Yellow - CMY-модель), а в высококачественной полиграфии применяются модели, включающие до 6-8 цветовых характеристик, ориентированные на сложнейшие процессы цветоотделения.

Для описания цветовых характеристик могут также использоваться понятия не связанные с техническими особенностями устройств отображения. К подобным моделям относятся различные разновидности модели художника и абстрактные модели CIE . Модель художника описывает цвет при помощи трех художественных понятий - разбела, оттенка и тона, а модель CIE (Международная комиссия по освещению)- формирует описание как координаты абстрактного цветового пространства XYZ или L*a*b*.

Растровые изображения находят широкое применение в различных областях науки, техники и искусства: при анализе и обработке фотографий (в том числе полученных в результате аэрокосмических съемок), в задачах распознавания образов, в современном дизайне, архитектурном и художественном проектировании. Широко известно использование растровых изображений в качестве текстур объектов в системах трехмерного моделирования и проектирования, в мультимедийных и игровых программах. Основным их преимуществом является высокое фотореалистичное качество. Недостатком данного вида графической информации являются проблемы, возникающие при изменении его размеров (масштабировании). Если при операции уменьшения растрового изображения не возникает проблем с качеством, то при его увеличении всего лишь в несколько раз качество резко ухудшается (см. рис.5). Постепенное увеличение растрового изображения (на приведенном рисунке - в 2, 4 и 8 раз) приводит к потере его качества - увеличению зернистости. Даже самые совершенные методы масштабирования не позволяют добиться приемлемых результатов приведен пример использования одного из современных методов масштабирования растровых изображений, который позволяет снизить его зернистость, но качество при этом увеличивается незначительно. Тем не менее, для получения высококачественной видео и полиграфической продукции растровые изображения остаются незаменимыми (см. рис.7). Размеры файлов, хранящих подобные изображения, могут достигать нескольких сотен мегабайт.

Векторные изображения представляют собой совокупность линий и фигур. Каждой линии или фигуре сопоставляется набор параметров, определяющих положение (на плоскости или в пространстве), ориентацию, а также цветовые и прочие характеристики. Векторные объекты также могут быть плоскими и объемными.

Хотя при отображении векторных объектов не возникает проблем с масштабированием (см. рис.8), они не обеспечивают фотореалистичного качества, присущего растровой информации (см. рис.9). При попытке представить в векторной форме достаточно сложное, близкое к фотореалистичному, изображение объем векторной информации катастрофически возрастает.

Векторные изображения нашли широкое применение при построении чертежей в системах автоматизированного проектирования - САПР, а также при построении изображений, которые в последствии предполагается масштабировать (например, плакатов, рекламных объявлений и пр.). Стандартные векторные данные при работе с цветом используют закраску только однотонным цветом или градиентом. Но при определенных навыках и в этом случае можно получить достаточно качественное решение (см. рис.10).

Метафайлы, хранящие комбинированные графические данные, включают в себя как растровые, так и векторные графические данные. По определению международного стандарта под метафайлом понимается аппаратно-независимое представление графической информации в терминах виртуального графического устройства отображения. Этот стандарт предназначен для унификации передачи графической информации между различными аппаратно-программными системами с различными типами устройств отображения.

Присутствие в метафайле растровых данных значительно повышает качество векторных изображений, сохраняя при этом их способность к масштабированию. Применение при этом современных методов текстуризации, основанных на фрактальной математике, гарантирует получение максимального эффекта реалистичности (рис.11). Большинство программ трехмерного моделирования (Renderman, Maya, Softimage, Lightwave, 3D Studio, Ray Dream Studio и др. ) и генерации ландшафтов (Bryce3D, World Construction Set, World Builder, Vista Pro и др. ) использует в качестве базового формата именно метафайловую форму представления.

По типу графическая информация делится на статическую и динамическую. Статическая содержит в информационном потоке единственное изображение, а динамическая предполагает наличие в этом потоке ряда изображений (кадров), составляющих анимационный или видеоряд. Под анимационным потоком понимается поток, состоящий из кадров, сформированных искусственным путем (при помощи компьютера или других средств монтажа, анимации и мультипликации). Поток графической информации, состоящий из материала отснятого на видео и кинопленку, а затем оцифрованного при помощи специальной аппаратуры, носит название видеоряда.

Если статическая информация может быть представлена при помощи любой комбинации графической информации (двумерная/трехмерная + растровая/векторная), то динамическая (на данный момент) может быть только плоской (двумерной).

Конец 1 вопроса.