Форматы сцены

Файлы формата сцены (иногда называемые файлами описания сцены) были разработаны для хранения сжатого представления изображения (или сцены). Векторные файлы содержат описания частей изображения, а файлы сцены содержат инструкции, позволяющие программе визуализации восстановить изображение целиком. На практике иногда трудно определить, имеем мы дело с векторным форматом или с форматом сцены.

Форматы анимации

Форматы анимации появились сравнительно недавно. Они создаются по тому же принципу, который вы использовали в своих детских играх с "движущимися" картинками. Если быстро отображать одно изображение за другим, то создается впечатление, что объекты этого изображения движутся. Самые примитивные из форматов анимации хранят изображения целиком, позволяя отображать их просто в цикле одно за другим. Чуть более усложненные форматы хранят только одно изображение и несколько цветовых таблиц для данного изображения. После загрузки новой цветовой таблицы цвет изображения меняется и создается иллюзия движения объектов. Еще более сложные форматы анимации хранят только различия между двумя последовательно отображаемыми изображениями (называемыми фреймами) и изменяют только те пиксели, которые меняются при отображении данного фрейма. Отображение со скоростью 10—15 фреймов в секунду типично для анимации мультипликационного вида. В видеоанимации для создания иллюзии плавного движения необходимо отображать 20 и более фреймов в секунду. Примерами форматов анимации могут служить TDDD и TTDDD.

Мультимедиа-форматы

Мультимедиа-форматы относительно новы, но приобретают все большее значение. Они предназначены для хранения данных различных типов в одном файле. Эти форматы обычно позволяют объединять графическую, звуковую и видеоинформацию. Примерами могут служить хорошо известные форматы RIFF фирмы Microsoft, QuickTime фирмы Apple, MPEG и FLI фирмы Autodesk, а в ближайшем будущем ожидается появление новых форматов. Различные варианты форматов мультимедиа описаны в главе 10.

Смешанные форматы

В настоящее время широко исследуются возможности объединения неструктурированного текста и растровых данных (смешанный текст), а также интеграции информации, объединенной в записи, и растровых данных (смешанная база данных). Мы предполагаем, что вскоре появятся смешанные форматы, пригодные для эффективного хранения графических данных.

Гипертекст и гипермедиа

Гипертекст — это система, обеспечивающая нелинейный доступ к информации. Большинство книг построены по линейному принципу: они имеют начало, окончание и определенную схему размещения текста. Гипертекст же позволяет создавать документы с одним или несколькими началами, с одним, несколькими окончаниями либо вообще без него, а также со множеством гипертекстовых связей, которые помогают читателю "перепрыгивать" в любое место документа. Гипертекстовые языки не являются форматами графических файлов, как GIF или DXF. Это, скорее, языки программирования вроде PostScript или С. Они специально предназначены для последовательной передачи потоков данных, то есть поток гипертекстовой информации можно декодировать по мере получения данных. Чтобы просмотреть гипертекстовый документ, не нужно ожидать его полной загрузки. Термин гипермедиа обозначает сплав гипертекста и мультимедиа. Современные гипертекстовые языки и сетевые протоколы поддерживают самые разнообразные средства, включая текст и шрифты, неподвижную и динамическую графику, аудио-, видео- и объемные данные. Гипертекст обеспечивает создание структуры, которая позволяет пользователю компьютера организовывать мультимедиа-данные, отображать их и интерактивно перемещаться по ним. Гипертекстовые и гипермедийные системы, например World Wide Web, хранят обширные информационные ресурсы в виде файлов GIF, JPEG, PostScript, MPEG и AVI. Используются и многие другие форматы.

Трехмерные форматы

В трехмерных файлах данных хранится описание формы и цвета объемных моделей воображаемых и реальных объектов. Объемные модели обычно конструируются из многоугольников и гладких поверхностей, объединенных с описаниями соответствующих элементов: цвета, текстуры, отражений и т.д., с помощью которых программа визуализации реконструирует объект. Модели помешаются в сцены с источниками света и камерами, поэтому объекты в трехмерных файлах часто называют элементами сцены. Программы визуализации, которые пользуются трехмерными данными, — это, как правило, программы моделирования и анимации (например, Lightwave фирмы NewTek и 3D Studio фирмы Autodesk). Они позволяют корректировать внешний вид визуализированного изображения, изменяя и дополняя систему освещения, текстуру элементов сцены и их относительное расположение. Кроме того, они дают возможность пользователю "оживлять" элементы сцены, то есть приписывают им движение. После этого программа создает ряд растровых файлов (или кадров), которые, если взять их по порядку, собираются в фильм. Важно понять, что векторные данные являются двухмерными. Это значит, что программа-создатель этих данных не пыталась моделировать объемное изображение и передавать перспективу. К векторным данным относятся чертежи САПР и большинство иллюстративных вставок, предназначенных для настольных издательских систем. На рынке существует некоторая неразбериха относительно понятия объемная визуализация. Ситуация осложняется тем, что трехмерные данные сейчас поддерживаются рядом форматов, которые ранее служили только для хранения двухмерных векторных данных. Пример — формат DXF фирмы Autodesk. Форматы типа DXF иногда называют расширенными векторными форматами.

Форматы языка моделирования виртуальной реальности (VRML)

VRML ("вермел") можно рассматривать как гибрид объемной графики и HTML. Формат VRML v.1.0 — это, по сути, файловый формат Silicon Graphics Inventor, в который добавлены средства, обеспечивающие соединение с URL в системе World Wide Web.

VRML кодирует трехмерные данные в формат, пригодный для обмена через Internet в соответствии с протоколом Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Полученные с Web-сервера VRML-данные отображаются в Web-броузере, который поддерживает интерпретатор языка VRML.

Форматы аудиофайлов

Аудиоинформация обычно хранится на магнитной ленте в виде аналоговых данных. Записи аудиоданных на такие носители, как компакт-диск (CD-ROM) и жесткий диск, предшествует их кодирование посредством дискретизации подобно тому, как это делается при записи цифровых видеоданных. После кодирования аудиоданные можно записывать на диск как необработанный поток цифровых данных или, что встречается чаще, сохранять в формате аудиофайла. Форматы аудиофайлов по своей концепции идентичны форматам графических файлов, только хранящаяся в них информация предназначена не для глаз, а для ушей. Большинство форматов содержат простой заголовок, который описывает хранимые в файле аудиоданные. Чаще всего в заголовке указывается количество отсчетов в секунду, количество каналов и количество битов на отсчет. Эта информация в первом приближении соответствует данным о количестве отсчетов на пиксель, количестве цветовых плоскостей и количестве битов на отсчет, содержащимся в заголовках графических файлов. В форматах аудиофайлов применяются различные методы сжатия данных. Для 8-битовых графических и аудиоданных обычно используется кодирование по алгоритму Хаффмена. А вот для 16-битовых аудиоданных необходимы адаптированные специально для этих целей алгоритмы.

 Форматы шрифтов

Такие файлы содержат описания наборов буквенно-цифровых знаков и символов в компактном, удобном для доступа формате. Из файлов шрифтов можно произвольно выбирать данные, связанные с отдельными знаками. В этом смысле они представляют собой базы данных о знаках и символах и поэтому иногда используются для хранения графических данных, хотя подобные данные по своей природе не являются буквенно-цифровыми или символьными. Файлы шрифтов могут иметь (а могут и не иметь) общие заголовки, а некоторые файлы поддерживают даже подзаголовки для каждого знака. В любом случае для того, чтобы выбрать отдельные знаки без чтения и анализа всего файла, нужно знать начало данных о знаках, объем данных о каждом знаке и порядок, в котором эти знаки хранятся. Данные о знаках в файле могут индексироваться буквами и цифрами, кодом ASCII и другими средствами. Некоторые файлы шрифтов можно дополнять и редактировать, поэтому в них есть специальный указатель, по которому всегда можно найти данные о знаках. Некоторые файлы шрифтов поддерживают сжатие, а многие — шифрование данных о знаках.  Исторически сложились три основных типа файлов шрифтов: растровые, штриховые и сплайновые контурные.

Растровые шрифты

Растровые шрифты состоят из набора изображений символов, визуализирующихся в виде небольших прямоугольных растров и хранящихся последовательно в отдельном файле. Этот файл может иметь или не иметь заголовка. Большинство файлов растровых шрифтов — монохромные, чаще всего шрифты в таких файлах хранятся в виде прямоугольников одного размера, что повышает скорость доступа к ним. Символы, хранимые в растровом формате, могут быть довольно сложными — в этом случае размер файла возрастает, что уменьшает скорость и простоту их использования. К преимуществам растровых файлов относятся быстрый доступ и простота в применении: чтение и отображение знака из растрового файла обычно занимает не больше времени, чем чтение и отображение обычного прямоугольника. Правда, иногда такие данные анализируются и используются в качестве шаблона для отображения знака программой визуализации. Главным недостатком растровых шрифтов считается относительно сложное масштабирование. К разряду существенных недостатков можно отнести и тот факт, что повернутые растровые шрифты хорошо смотрятся только на экранах с пикселями квадратной формы. В большинстве знако-ориентированных систем, таких как MS-DOS, UNIX знакового режима, а также в системах с текстовыми терминалами, применяются растровые шрифты, записанные в ПЗУ или на диске.

Штриховые шрифты

Штриховые шрифты — это базы данных, содержащие информацию о знаках, которые записаны в векторной форме. Знак может быть представлен одним штрихом или полым контуром. Данные о штриховых знаках обычно состоят из набора конечных точек линий, рисуемых последовательно, отражая тот факт, что многие штриховые шрифты происходят от приложений, поддерживающих перьевые плоттеры. Бывают и более сложные штриховые шрифты. Файлы таких шрифтов содержат инструкции по начертанию дуг и других кривых. Вероятно, самыми известными и наиболее широко используемыми штриховыми шрифтами являются наборы знаков Херши (Hershey), которые все еще доступны в режиме on-line. Штриховые шрифты имеют определенные преимущества. Во-первых, их можно легко масштабировать и поворачивать. Во-вторых, они состоят из примитивов (линий и дуг), которые поддерживаются большинством операционных сред и программ визуализации на базе GUI. Главным же недостатком штриховых шрифтов можно считать то, что они обычно имеют "механический" вид, противоречащий нашему представлению о высококачественном печатном тексте. Сейчас штриховые шрифты используются редко. Тем не менее они поддерживаются многими перьевыми плоттерами. Информация об этих шрифтах может понадобиться, например, в том случае, если у вас есть специализированная промышленная система с векторным дисплеем или нечто подобное.

Сплайновые контурные шрифты

Описания знаков в сплайновых шрифтах состоят из контрольных точек, которые обеспечивают реконструкцию геометрических примитивов, известных как сплайны. Существует очень много типов сплайнов, и все они позволяют рисовать плавные, приятные для глаза кривые, которые мы обычно ассоциируем с буквами высококачественного печатного текста. Данные о контурах, как правило, сопровождаются информацией, используемой для реконструкции знаков. Эта информация может включать сведения о кернинге и сведения, необходимые для масштабирования очень больших и очень маленьких знаков (так называемые "подсказки"). Преимущество сплайновых шрифтов в том, что их можно использовать для высококачественного представления знаков, которые в некоторых случаях нельзя отличить от полученных типографским способом металлических шрифтов. (В сплайновые контурные переведены практически все традиционные шрифты.) Кроме того, такие знаки можно масштабировать, поворачивать и вообще производить над ними операции, о которых раньше приходилось только мечтать. К сожалению, реконструкция знаков в сплайновые контурные данные — задача не из простых. Сложные шрифты требуют дополнительных затрат времени на визуализацию и разработку программного обеспечения.

Форматы языков описания страницы

Языки описания страницы (PDL — Page Description Language) — это настоящие машинные языки, используемые для описания компоновки, шрифтов и графики печатных и отображаемых страниц. PDL представляют собой интерпретируемые языки, применяемые для передачи информации на устройства печати (например, принтеры) и на устройства отображения (такие, как экраны графического интерфейса пользователя GUI). Особенность этих языков заключается в том, что коды PDL зависят от аппаратных средств. Типичный файл PostScript содержит подробную информацию об устройстве вывода, метрике шрифта, цветовых палитрах и т.п. Файл PostScript с кодом для четырехцветного документа формата А4 может быть напечатан или отображен только на устройстве, которое имеет средства обработки этой метрики. А вот языки разметки не содержат информации об устройстве вывода. Они основаны на том, что устройство, визуализирующее код на языке разметки, сможет адаптироваться к переданным командам форматирования. Программа визуализации сама выбирает шрифты, цвета и метод отображения графических данных. Язык разметки дает только информацию и сведения о ее структуре. Языки описания страницы — это, формально говоря, языки программирования, и для чтения заключенных в них данных необходимы сложные интерпретаторы. Они существенно отличаются от гораздо более простых анализаторов, применяемых для чтения графических форматов.