4. Комп'ютерна графіка

Робота з комп'ютерною графікою - один із найпопулярніших напрямків використання комп'ютера і займаються цією роботою не лише професійні художники та дизайнери. У будь-якій фірмі час від часу виникає необхідність у поданні рекламних оголошень чи просто у випуску рекламної листівки або буклета. Великі фірми замовляють таку роботу спеціальним дизайнерським бюро або рекламним агентствам. Малі підприємства, як правило, мають обмежений бюджет і часто розраховують на власні сили та доступні програмні засоби.

Без комп'ютерної графіки не обходиться жодна сучасна мультимедійна програма. Основні трудові затрати у роботі редакцій та видавництв складають художні та оформлювальні роботи з графічними програмами. Програми для створення та обробки графічних зображень називають графічними редакторами.

Необхідність широкого використання графічних редакторів стала особливо відчутною з розвитком Інтернету і, в першу чергу, завдяки службі WWW, яка з'єднує в єдину "павутину" мільйони окремих "домашніх сторінок". Web-сторінка, оформлена без комп'ютерної графіки, не має шансів виділитись на фоні широкого кола конкурентів та привернути до себе масову увагу.

Потреба у розробці привабливих Web-сторінок у багато разів перевищує можливості професійних художників та дизайнерів, яким можна було б доручити цю роботу. У зв'язку з цим сучасні графічні редактори створюються з таким розрахунком, щоб не лише дати зручні інструменти професійним художникам та дизайнерам, а і дати можливість для продуктивної роботи і тим, хто не має необхідних професійних навичок та вроджених здібностей до художньої творчості.

Види комп'ютерної графіки

Не дивлячись на те, що для роботи з комп'ютерною графікою існує велика кількість класів програмного забезпечення, розрізняють лише три види комп'ютерної графіки. Це растрова графіка, векторна графіка та фрактальпа графіка. Вони відрізняються принципами формування зображень на екрані монітора або при друку на папері.

Растрову графіку використовують при розробці електронних (мультимедійних) та поліграфічних видань. Ілюстрації, виконані засобами растрової графіки, рідко створюють вручну за допомогою комп'ютерних програм. Частіше з цією метою сканують ілюстрації, підготовлені художником на папері, або фотографії. В останній час для введення растрових зображень в комп'ютер широко використовують цифрові фото- та відеокамери. Відповідно, більїпість графічних редакторів, призначених для роботи з растровими ілюстраціями, орієнтовані не стільки на створення зображень, скільки на їх обробку. В Інтернеті поки застосовують лише растрові ілюстрації.

Програмні засоби для роботи з векторною графікою, навпаки, призначені, в першу чергу, для створення ілюстрацій і в меншій мірі для їх обробки. Такі засоби широко використовують у рекламних агентствах, дизайнерських бюро, редакціях та видавництвах. Оформлювальні роботи, засновані на використанні шрифтів та простіших геометричних елементів, розв'язуються засобами векторної графіки значно простіше. Є приклади високохудожніх творів, створених засобами векторної графіки, але вини, скоріше за все, виняток, ніж правило, оскільки художня підготовка ілюстрацій засобами векторної графіки досить складна.

Програмні засоби для роботи з фрактальною графікою призначені для автоматичної генерації зображення шляхом математичних розрахунків. Створення фрактальної художньої композиції полягає не в малюванні чи оформленні, а у програмуванні. Фрактальну графіку рідко використовують для створення друкованих або електронних документів, але її часто використовують у розважальних програмах.

Растрова графіка

Основним елементом растрового зображення є точка (крапка). Якщо зображення екранне, то точку називають пікселем. Залежно від того, на яку роздільну здатність налаштована операційна система комп'ютера, на екрані можуть розміщуватись зображення, які мають 640x480,800x600,1024x768 і більше пікселів.

З розміром зображення безпосередньо пов'язана його роздільна здатність. Цей параметр вимірюють у точках на дюйм (dots per inch - dpi). У монітора з діагоналлю 15 дюймів розмір зображення на екрані складає близько 28x21см. Знаючи, що в одному дюймі 25,4 мм, можна розрахувати, що при роботі монітора у режимі 800x600 пікселів роздільна здатність екранного зображення дорівнює 72 dpi.

Для друку зображення його роздільна здатність повинна бути значно вищою. Поліграфічний друк повнокольорового зображення потребує роздільної здатності 200-300 dpi. Стандартна фотографія розміром 10x15 см повинна містити близько 1000з1500 пікселів.

Таке зображення буде складатися із 1,5 млн точок, а якщо зображення кольорове і на кодування кожної точки використано 3 байти, то звичайній кольоровій фотографії відповідає масив даних розміром понад 4 Мбайт.

Великі обсяги даних - основна проблема при використанні растрових зображень. Для роботи з великими ілюстраціями типу журнальної смуги потрібні комп'ютери з великими обсягами оперативної пам'яті та процесори з високою частотою.

Другий недолік растрових зображень пов'язаний із неможливістю їх збільшення для розгляду деталей. Оскільки зображення складається з точок, то збільшення зображення призводить лише до того, що ці точки стають більшими. Ніяких додаткових деталей при збільшенні растрового зображення розгледіти не вдається. Більше того, збільшення точок растру візуально спотворює ілюстрацію та робить її грубою. Цей ефект називають пікселізацією.

Векторна графіка

Як у растровій графіці основним елементом зображення є точка, так у векторній графіці основним елементом зображення є лінія (при цьому не важливо, пряма це лінія чи крива).

Звичайно, у растровій графіці теж існують лінії, але там вони розглядаються як комбінація точок. Для кожної точки лінії у растровій графіці відводиться декілька комірок пам'яті. Відповідно, чим довша растрова лінія, тим більше пам'яті вона займає. У векторній графіці обсяг пам'яті, який займає лінія, не залежить від розміру лінії, бо лінія представлена у вигляді формули або у вигляді декількох параметрів. Які б дії ми не виконували над цією лінією, змінюються лише її параметри, які зберігаються в комірках пам'яті. Кількість самих комірок залишається незмінною для будь-якої лінії.

Лінія - це елементарний об'єкт векторної графіки. Все, що є у векторній ілюстрації, складається з ліній. Простіші об'єкти об'єднуються в більш складні, наприклад, об'єкт чотирикутник, можна розглядати як чотири зв'язані лінії, а об'єкт куб ще більш складніший: його можна розглядати як дванадцять зв'язаних ліній, або як шість зв'язаних чотирикутників. Через такий підхід векторну графіку часто називають об'єктно-орієнтованою графікою.

Об'єкти векторної графіки зберігаються в пам'яті у вигляді набору параметрів, але на екран все одно виводяться у вигляді точок (просто тому, що такий принцип роботи екрана). Перед виводом на екран кожного об'єкта програма виконує обчислення координат екранних точок у зображенні об'єкта, тому векторну графіку іноді називають обчислювальною графікою. Аналогічні обчислення виконуються і при виводі об'єктів на принтер.

Як і всі об'єкти, лінії мають властивості. До цих властивостей належать: форма лінії, її товщина, колір, характер лінії (суцільна, пунктирна і т.п.). Замкнуті лінії мають властивість заповнення. Внутрішня область замкнутого контуру може бути заповнена кольором, текстурою, картою. Простіша лінія, якщо вона не замкнута, має дві вершини, які називають вузлами. Вузли також мають властивості, від яких залежить, який вигляд матиме вершина лінії і як дві лінії з'єднуються між собою.

Співвідношення між векторною і растровою графікою

Розглядаючи растрову графіку, можна відмітити два її істотні недоліки: значний обсяг масивів даних, які потрібно зберігати та обробляти, а також неможливість змінювати розмір зображення без втрати якості.

Векторна графіка усуває обидва ці недоліки, але, в свою чергу, значно ускладнює роботу зі створення художніх ілюстрацій. На практиці засоби векторної графіки використовують не для створення художніх композицій, а для оформлювальних, креслярських та проектно-конструкторських робіт.

Для збереження інформації про найпростіший об'єкт, яким є лінія третього порядку, у векторній графіці необхідно лише вісім параметрів. Додавши до них параметри, які виражають такі властивості лінії, як її ширина, колір, тип та інші, виходить, що для збереження одного об'єкта досить 20-30 байт оперативної пам'яті. Досить складні композиції, які нараховують тисячі об'єктів, витрачають лише десятки і сотні Кбайт.

У векторній графіці легко вирішують питання масштабування. Якщо лінія має товщину 0,15 мм, то скільки б ми не зменшували чи збільшували малюнок, ця лінія буде мати лише таку товщину, оскільки це одна із властивостей об'єкта,що жорстко з ним пов'язана. Роздрукувавши креслення на великому чи малому аркуші паперу, ми завжди отримаємо лінії однієї і тієї ж товщини. Ця властивість векторної графіки широко використовується в картографії, у конструкторських системах автоматизованого проектування (САПР) та в автоматизованих системах архітектурного проектування.Отримавши на екрані зображення будинку, ми можемо його збільшити і детально розгледіти зображення квартири. При подальшому збільшенні можна детально розгледіти спосіб кріплення дверної коробки, завісу, і далі збільшувати зображення до тих пір, доки шурупи, якими кріпляться завіси, не займуть весь екран. Якщо була б необхідність, зображення можна було би збільшувати і далі.

Поняття про фрактальну графіку

Фрактальна графіка, як і векторна - обчислювальна, але відрізняється від неї тим, що ніякі об'єкти у пам'яті комп'ютера не зберігаються. Зображення будується за рівнянням (або системою рівнянь), тому нічого, окрім формули, зберігати не потрібно. Змінюючи коефіцієнти в рівнянні, можна отримати зовсім іншу картину.

Найпростішим фрактальним об'єктом є фрактальний трикутник. Побудуємо звичайний рівносторонній трикутник зі стороною а. Розділимо кожну із його сторін на три відрізки. На середньому відрізку кожної сторони побудуємо рівносторонній трикутник зі стороною а/З. На середніх сторонах утворених трикутників побудуємо рівносторонні трикутники зі стороною а/9 і т.д. З часом буде помітно, що трикутники наступних поколінь повторюють властивості своїх батьківських структур. Так створюється фрактальна фігура.

Процес наслідування можна продовжити до нескінченності. Розглянувши такий фрактальний об'єкт під мікроскопом, можна знайти в ньому все нові й нові деталі, які повторюють властивості вихідної структури.

Фрактальні властивості мають багато об'єктів живої та неживої природи. У багато разів збільшена звичайна сніжинка, виявляється фрактальним об'єктом. Фрактальний алгоритм лежить в основі росту кристалів і рослин. Зокрема, кожна гілка рослини папоротникових багато в чому повторює властивості гілки більш високого рівня. В окремих гілках дерев чисто математичними методами можна відслідкувати властивості всього дерева. А якщо гілку поставити у воду, то через деякий час можна отримати саджанець, який з часом стане повноцінним деревом.

Здатність фрактальної графіки моделювати образи живої природи обчислювальним шляхом часто використовують для автоматичної генерації незвичайних ілюстрацій.