Вопросы по теме 1: «Методы проецирования и системы координат в

компьютерной графике»

1. Области применения компьютерной геометрии и графики.

Компьютерная графика – это раздел информатики (Computer Science), в которой изучаются методы и средства для преобразования данных в графическую форму представления и из графической с помощью ЭВМ.)

Развитие компьютерной графики как самостоятельной области информатики началось в девяностых годах прошлого столетия. Этому способствовало, с одной стороны, резкое повышение технических характеристик (емкость запоминающих устройств, быстродействие и разрядность процессора, возможность работы с массивами чисел, представленных в форме с плавающей запятой) и понижение стоимости аппаратного обеспечения, с другой стороны, появление адаптированного к работе с графикой как базового, так и прикладного программного обеспечения.

Благодаря широчайшим возможностям компьютерная графика стала практически неотделима от таких сфер деятельности, как:

- разработка графических интерфейсов программ (сейчас уже практически невозможен успех программы, не имеющей приятного интерфейса);

- веб-дизайн - создание и оформление интернет-ресурсов;

- спецэффекты, цифровая кинематография и анимация, цифровое телевидение, видеоконференции;

- цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий, коллажированию, добавлению спецэффектов;

- компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, авто- и авиасимуляторы);

- системы автоматизированного проектирования;

- визуализация научных и деловых данных посредством мультимедийных презентаций;

- подготовка макетов полиграфической продукции;

- создание трехмерных моделей объектов, используемое в дизайне интерьера, ландшафтном и промышленном дизайне, архитектуре и многое, многое другое.

2. Растровая и векторная графика. Какие форматы графических файлов

вы знаете?

3. Назовите наименьший элемент растрового изображения. Назовите

наименьший элемент векторного изображения.

Растровая графика: При использовании растровой графики изображение отображается в виде большого числа пикселей (пиксель - мельчайший элемент изображения).

Растровая графика позволяет воспроизвести любое изображение вне зависимости от сложности.

Распространённость - растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.

Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.

Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода/вывода графической информации, таких как монитор, принтер, цифровой фотоаппарат, сканер и др.

----------

Векторная графика: При использовании векторной графики изображение формируется из математических описаний составляющих его графических объектов (отрезка, окружности, прямоугольника и т.п.).

Векторная графика открывает неограниченные возможности для идеального масштабирования

В векторной графике при масштабировании изображения его качество не изменяется.

Минимальное количество информации передаётся намного меньшему размеру файла.

Векторную графику можно перевести в растровую. Трассировка растра обычно не обеспечивает высокого качества векторного рисунка.

Расширение файла в названии изображения указывает на используемый формат графики. Так, файлы *.bmp , *.tif , *psd, *.gif , *.png , *.jpg и др. соответствуют форматам растровых графических файлов.

Файлы *.wmf , *.cdr, *.ai *, eps и др. соответствуют форматам векторных графических файлов.

4. Форматы графических данных (файлов). Сжатие графических данных.

5. Графические форматы BMP и WMF: области применения, преимущества и недостатки, особенности.

6. Графические форматы GIF и PNG: области применения, преимущества и недостатки, особенности.

7. Графические форматы PSD и CDR: области применения, преимущества и недостатки, особенности.

8. Графические форматы JPEG и TIFF: области применения, преимущества и недостатки, особенности.

9. Графические форматы CWD, DWG и DXF: области применения, преимущества и недостатки, особенности

АРХИВАЦИЯ И КОМПРЕССИЯ

Как правило, все методы сжатия графических изображений разделяют на две категории: архивацию и компрессию.

Под архивацией понимают сжатие информации с возможностью ее дальнейшего восстановления. Компрессия же означает потерю некоторого количества информации об изображении, что естественно приводит к ухудшению качества, но уменьшает объем сохраненных данных. Архивировать можно как растровую, так и векторную графику.

Принцип архивации состоит в том, что программа анализирует наличие в сжимаемых данных одинаковых последовательностей и исключает их, записывая вместо повторяющегося фрагмента ссылку на предыдущий и аналогичный ему для того, чтобы была возможность восстановления. Хорошим примером графического объекта с большим количеством одинаковых последовательностей может стать фотография или рисунок с голубым небом в изображении или со сплошной однотонной заливкой. При таком подходе можно восстанавливать нужную информацию без потерь.

Компрессия же не гарантирует полного восстановления исходных данных, поэтому ее основная задача - не "убить" что-нибудь очень ценное в погоне за уменьшением объема. Обычно информация, подвергнутая компрессии, занимает значительно меньше объема, чем сохраненная методами архивации. Именно это обстоятельство и оставляет этому методу место под солнцем. Регулирование степени сжатия дает право на выбор: размер выходного файла или сохранение его качества. Рассмотрим несколько алгоритмов сжатия данных, которые не вносят изменений в исходные файлы и гарантируют полное восстановление данных.

RLE (RUN LENGTH ENCODING)

Метод сжатия данных, при котором одинаковые последовательности одних и тех же байтов заменяются однократным упоминанием повторяющегося байта (или целой цепочки байтов) и числа его повторений в исходных данных. Например, строка типа 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100, описывающая некую группу пикселей, будет заменена на запись типа 0100х8 и т.п. Применяется этот тип сжатия в тех случаях, когда изображение имеет большие участки одного цвета, цифровое представление которых идентично. В основном этот тип сжатия применим для монохромных изображений с небольшим количеством цветов: для деловой и научной графики, в которых сжатием данных можно добиться наилучших результатов. Алгоритм применим для сжатия других типов данных (в том числе и не графических), но малоэффективен, так как сжимаемые данные должны иметь простую повторяющуюся структуру. Этот алгоритм имеет еще одно важное преимущество - он от- носительно прост и позволяет быстро производить распаковку из этого формата и упаковку обратно (все графические данные для их обработки должны быть предварительно распакованы, а любая компрессия или архивация применяется в основном для временного или постоянного хранения файла). Этот метод используется для файлов формата .PSD, .BMP и других.

CCITT GROUP 3, CCITT GROUP 4

Эти два похожие метода сжатия графических данных работают с однобитными изображениями, сохраненными в цветовой модели Bitmap. Основаны на поиске и исключении из исходного изображения дублирующихся последовательностей данных (как и в предыдущем типе сжатия - RLE). Оба ориентированы на упаковку именно растровой графической информации, так как работают с отдельными рядами пикселей в изображении. Изначально алгоритм был разработан для сжатия данных, передаваемых через факсимильные системы связи (CCITT Group 3), а более совершенная разновидность этого метода архивации данных (CCITT Group 4) подходит для записи монохромных изображений с более высокой степенью сжатия. Как и предыдущий алгоритм, он в основном подходит для сжатия изображений с большими одноцветными областями. Его достоинство - скорость выполнения, а недостаток - в ограничениях при компрессии графических данных (не все данные удается эффективно сжать таким образом). Этот метод - для файлов формата .PDF, PostScript (в инкапсулированных объектах) и других.

LZW (LEMPLE-ZIF-WELCH)

Алгоритм сжатия данных, основанный на поиске и замене в исходном файле одинаковых последовательностей данных для их исключения и уменьшения размера "архива". В отличие от предыдущих рассмотренных методов сжатия, более "интеллектуально" просматривает сжимаемое cодержимое, а все ради большей степени сжатия данных. Данный тип сжатия не вносит искажений в исходный графический файл и подходит для обработки растровых данных любого типа - монохромных, чернобелых или полноцветных. Наилучшие результаты получаются при компрессии изображений с большими областями одинакового цвета или изображений с повторяющимися одинаковыми структурами. Этот метод демонстнрирует самые поразительные результаты степени сжатия (среди других существующих методов сжатия графических данных) при полном отсутствии потерь или искажений в исходных файлах. Используется в файлах формата .TIFF, .PDF, .GIF, PostScript (в инкапсулированных объектах) и других.

ZIP

Метод сжатия, аналогичный использующемуся в популярном алгоритме архивации PKZip. В основу ZIP положен метод, аналогичный LZW. Как и LZW, не вносит искажений в исходный файл и лучше всего подходит для обработки графических данных с одинаковыми одноцветными или повторяющимися областями. Используется в файлах формата .PDF, .TIFF и некоторых других. А теперь рассмотрим алгоритмы и методы конвертирования данных, которые вносят изменения в исходные файлы, показывая при этом более высокую степень качества упаковки графических изображений.

JPEG (JOINT PHOTOGRAPHIC EXPERTS GROUP)

Метод, используемый для хранения полутоновых и полноцветных изображений, позволяющий добиться лучшей степени сжатия и минимального размера выходного файла. Принцип работы основан на особенностях восприятия человеческим глазом различных цветов и достаточно сложен с вычислительной точки зрения, так как занимает много процессорного времени. Кодирует файлы в несколько этапов. Во-первых, изображение условно разбивается на несколько цветовых каналов для дальнейшего анализа. Затем картинка разбивается на группы по 64 пиксела в каждой группе (она же - квадратный участок изображения размером 8х8 пикселей) для последующей обработки. Затем цвет пикселей специальным образом кодируется, исключаются дублирующая и избыточная информация, причем при описании цвета больше внимания уделяется скорее яркостной, чем цветовой составляющей, так как человеческий глаз воспринимает изменения яркости лучше, чем изменения конкретного цветового тона. Полученные данные сжимаются по RLE или LZW-алгоритму для достижения еще большей компрессии. В результате на выходе получаем файл иногда в десятки раз меньший, чем его неконвертированный аналог. Однако чем меньше размер выходного файла, тем меньше степень "аккуратности" при работе программы-конвертора и, соответственно, ниже качество выходного изображения. Обычно в программах, позволяющих сохранять растровые данные, есть возможность некоторого компромисса между объемом выходного фай- ла и качеством изображения. При лучшем качестве объем выходного файла в 3-5 раз меньше исходного незапакованного. При качестве похуже - меньше исходника в десятки раз, но, как правило, при этом качество изображения уже не позволяет использовать его где-либо. Данный формат предназначен для хранения в основном фотографических изображений с большим количеством оттенков и цветовых переходов и почти не подходит для хранения однотонных изображений типа кадров из мультфильмов, скриншотов (сжатие будет слишком низким или качество картинки достигнет критической отметки). Этот метод сжатия графических данных используется в файлах формата .PDF, PostScript (для включенных объектов), собственно в .JPEG и других.

ИЗМЕНЕНИЕ ЦВЕТОВОЙ МОДЕЛИ ГРАФИЧЕСКОГО ФАЙЛА

Объясню все на примере. Файлы в цветовом пространстве CMYK больше аналогичных в пространстве RGB на 33% (так как в CMYK имеется дополнительный четвертый черный канал). Если не планируешь печатать файлы или ты уверен в том, что сможешь корректно провести цветоделение (переход в субтрактивную модель CMYK) позже, можешь хранить рабочие файлы в RGB.

ИЗМЕНЕНИЕ РАЗРЕШЕНИЯ РАСТРОВОГО ФАЙЛА

Файл с разрешением 600 точек на дюйм больше своего аналога разрешением в 300 точек в четыре раза (!), а качество печати при повышенном разрешении не всегда будет выше. Так что если разрешение избыточно, можешь его понизить, только помни, что после такого назад дороги не будет (процесс является необратимым) и никакая последующая интерполяция не восстановит потерянные пикселы. Так что при задании необходимого разрешения также будь внимателен. Следует учесть, что параметр разрешения контуров, применительно к векторной графике, не имеет отношения к объему выходного файла (это уже другое разрешение и другое понятие), но влияет на аккуратность "прорисовки" вектора при его растеризации в устройстве, где производится печать. Так что уменьшение этого параметра для векторной графики не уменьшит объем файлов, а только ухудшит качество печати.

РЕСЕМПЛИРОВАНИЕ

Ресемплирование, или изменение глубины цвета растрового изображения, - изменение начальной глубины цвета файла. Некоторые оцифровывающие устройства выдают растровую информацию с глубиной цвета, превышающей достаточное для печати значение 8 бит на канал. Это иногда оправданно, так как большее значение бит на канал позволяет задавать большее число градаций цвета, что важно, например, при сильной, "кардинальной" цветокоррекции - сильном осветлении или затенении отдельных участков. Однако в большинстве случаев для хранения растровых данных в различных цветовых моделях с лихвой хватит глубины цвета 8 бит на канал. Кроме того, один из стандартов сжатия для RGB-изображений подразумевает использование разного количества бит для разных цветовых составляющих (обычно наибольшее количество бит используется для зеленого канала). Также большинство фильтров Adobe Photoshop рассчитано на работу с изображениями глубиной цвета в 8 бит (с изображением, использующим нестандартную глубину цвета, становится практически невозможно работать, так как большинство фильтров рассчитаны на значение глубины цвета именно 8 бит). P.S. При подготовке материала была использована статья Евгения Кузнецова "Методы компрессии и сжатия изображений".

-----------

BMP (Bit MaP image) - родной формат Windows, применяется для хранения растровых изображений и обмена данными с другими приложениями. Способен хранить как индексированный (до 256 цветов), так и RGB-цвет (16,7 млн. оттенков).

WMF (Windows MetaFile) - еще один родной формат Windows. Искажает цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах, не понимается программами на Macintosh.

---

PNG (Portable Network Graphic) - недавно разработанный для Сети формат, призванный заменить собой устаревший GIF. Использует сжатие без потерь. Глубина цвета может быть любой, вплоть до 48 бит. Формат позволяет получать одинаковое отображение информации независимо от аппаратуры пользователя.

GIF (Graphics Interchange Format) - формат, рекомендуемый для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на интернет-сайтах.

---

PSD (Adobe Photoshop Document) - родной формат популярного растрового редактора Photoshop, позволяет записывать изображение с полной информацией, проделанной в Photoshop. 

CDR (CorelDRaw files) - в файлах применяется компрессия для векторов и растра отдельно, могут внедряться шрифты. Файлы имеют огромное рабочее поле 45х45 метров (этот параметр важен для наружной рекламы). 

---

TIFF (Tagged Image File Format) - включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации, является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы. Ему доступен весь диапазон цветовых моделей от одноцветной до RGB, CMYK. 

JPEG (Joint Photographic Experts Group) - этим форматом лучше сжимаются растровые картинки фотографического качества, в отличие от логотипов или схем. Чем больше степень сжатия, тем хуже качество изображения при открытии файла. В JPEG следует сохранять только конечный вариант работы.

---

CWD - Файлы с расширением *.cdw создаются программным пакетом Celedy Draw (www.celedy.com ) и, как уже сказали, "Компасом" 

DWG (от англ. drawing — чертеж) бинарный формат файла, используемый для хранения двухмерных (2D) и трёхмерных (3D) проектных данных и метаданных. Является основным форматом для некоторых САПР-программ (прямая поддержка — например, AutoCAD, nanoCAD,IntelliCAD и его вариаций, Caddie). 

DXF (англ. Drawing eXchange Format) — открытый формат файлов для обмена графической информацией между приложениями САПР. Был создан фирмой Autodesk для системыAutoCAD. Поддерживается практически всеми CAD-системами на платформе PC.