6.5 Векторная графика

Принципы задания векторной графики принципиально отли­чаются от растровой. Их основой является создание криволиней­ных контуров при помощи сегментов математических кривых. Об­щим видом таких кривых являются NURBS-кривые, а частным ви-

дом - кривые Безье, использующиеся в программах двухмерной векторной графики. Преимуществом таких кривых является изме­няемая кривизна линии за счет редактирования управляющих то­чек. Свое начало векторная графика берет в аналитической графи­ке - методе задания кривых при помощи математических формул (ах+Ьу+с=0 - прямая, х2+у2=г2 - окружность). Так как для произ­вольной кривой формулу подобрать сложно, то кривую разбивают на простые сегменты, соединяемые в узлах. Сегмент кривой Безье состоит из двух опорных точек, через которые проходит кривая, и двух управляющих, определяющих кривизну и форму. Отсюда сле­дует, что для описания 1-й точки необходимо всего два числа - ко­ординаты по осям х и у, а для описания сегмента - 8 чисел. Напри­мер, описание окружности, состоящей из 4-х замкнутых сегментов займет 24 числа - координаты 4-х узлов (опорных точек) и 8-ми уп­равляющих точек. Это значительно меньше, чем описание растро­вого изображения. Соединяясь в узлах, сегменты образуют сколь угодно сложную кривую, которая может быть замкнутой или разо­мкнутой. Узлы соединения сегментов делятся на узлы с непрерыв­ной кривизной и узлы с изломом, что позволяет создавать как плав­ные изгибы, так и углы. Так как кривая Безье по своей сути являет­ся вектором, то это означает, что у нее есть начальная точка, конеч­ная точка и направление (это касается и замкнутых контуров). В некоторых случаях направление кривой может иметь решающее значение. Редактирование кривых и объектов векторной графики состоит в перемещении опорных и управляющих точек. Основными атрибутами векторного объекта являются заливка и обводка. Набор объектов с определенными заливками, обводками, располагающих­ся в определенном порядке и образуют векторную иллюстрацию.

Преимущества и недостатки векторной графики. Явным преимуществом векторной графики перед растровой является очень малый объем файлов, при условии, что векторная иллюстра­ция не включает в себя растровые фрагменты. Объясняется это тем, что файл содержит в себе только математические описания объек­тов (опорных и управляющих точек) и их атрибуты. Другим поло­жительным моментом векторных объектов является простота их трансформации: для поворота или масштабирования векторного объекта достаточно пересчитать координаты опорных и управля-

ющих точек. При уменьшении не происходит потери информации об объекте, а при увеличении не нарушается плавность кривизны сегментов. Векторную графику не надо специально готовить для распечатки - вывод осуществится с максимальным для данного устройства качеством автоматически (при выводе растровых изо­бражений необходимо учитывать размер и разрешение изображе­ния и устройства вывода). Это достоинство векторной графики называется аппаратной независимостью.

К недостаткам векторной графики относят программную зави­симость и нефотореалистичность изображения. Векторную графику невозможно создать устройством оцифровки, подобным сканеру или цифровому фотоаппарату. Конечно, фотографию можно векторизо­вать при помощи программ трассировщиков, но это преобразование произойдет с большой степенью приближения и является программ­но-реализуемой функцией. Программная зависимость говорит о том, что каждая программа создает файлы векторной графики со своими особенностями и перевод из формата одной программы (например Corel Draw) в формат другой (Adobe Illustrator) будет всегда сопро­вождаться неточностями и погрешностями, в отличии от растрового файла - созданный в одной программе, он точно также откроется в другой. Особенно плохо конвертируются различные дополнительные эффекты, такие как динамически генерируемые тени, полупрозрач­ности, векторные фильтры, нестандартные атрибуты. Отсутствие реа­листичности можно назвать основным недостатком векторной гра­фики по сравнению с растровой. Векторные объекты точны и жест­ки. Именно поэтому программы векторной графики - основа для со­здания пиктограмм, знаков, логотипов и шрифтов.

Преобразование векторной графики в растровую является легко реализуемой процедурой, которая называется растеризацией, то есть математически описанн&е объекты превращаются в сетку пикселей. В большинстве программ реализуется командой экспорта или функцией rasterize image. Обратное преобразование пиксельной графики в векторную имеет некоторые математические затруднения, так как мы имеем набор пикселей, который надо превратить в упоря­доченные математические кривые с определенной заливкой. Такой процесс называется векторизацией или трассировкой. Трассировка может быть ручной и автоматической. Во время ручной трассировки, дизайнер по уже имеющемуся изображению строит нужные вектор-

ные объекты. Алгоритмы автоматической трассировки анализируют области ровных цветовых заливок, границы цвето-тоновых перепа­дов и на основе этой информации строят замкнутые векторные обла­сти, с определенной долей неточностей и приближений. ■ PostScript. Основой почти всех современных технологий пе­чати является язык Adobe PostScript. На нем базируются системы разработки и отображения графики, а также прикладные технологии, такие, как PDF. PostScript является языком описания страниц, создан­ный компанией Adobe в 80-х годах XX века. Он поддерживается прак­тически всеми промышленными устройствами отображения: лазер­ными и струйными принтерами, фотонаборными устройствами и так далее. Описание страницы на PostScript представляет собой про­грамму, выполнение которой управляет устройством вывода изобра­жения. Программный код описывает контурные шрифты, векторные и растровые объекты с их атрибутами, содержит переменные, кон­станты, операторы, логические конструкции. PostScript уровня 2 (PostScript Level 2), разработанный в 1990 году, содержит поддерж­ку шрифтов с двойным байтом (используемых для азиатских язы­ков, содержащих несколько тысяч базовых символов). PostScript Level 2 поддерживает цветоделение непосредственно в устройствах растрирования и вывода (RIP), а также позволяет использовать тех­нологии сжатия данных (JPEG, LZW, RLE). Существуют дальнейшие модификации языка PostScript которые называются PostScript 3 и PostScript Extreme.

Форматы векторной графики.

EPS (Encapsulate PostScript) - является универсальным форматом, основанным на языке PostScript. Его понимают большин­ство программ векторной и растровой графики, хотя родной для не­го является программа Adobe Illustrator. Для программ непонимаю­щих векторное описание страниц, EPS сохраняет в себя аналогич­ное пиксельное изображение для предварительного просмотра.

Ai - распространенный формат программы Adobe Illustrator. Его понимают Photoshop и 3ds MAX.

PDF - разработан компанией Adobe для создания и распро­странения электронных документов. В его основе также лежит язык PostScript. Данный формат может включать в себя растровые и век-

торные изображения, мультимедийные объекты, гипертекстовые ссылки, интерактивное оглавление, шрифты, то есть все объекты, не­обходимые для полного и точного отображения документа. Формат PDF отображается на любой платформе одинаково, вне зависимости от программного обеспечения или набора имеющихся шрифтов.CDR - внутренний формат программы Corel Draw.

FLA - внутренний формат программы векторной анимации Macromedia Flash.

SWF - формат готовой мультимедийной векторной анима­ции, создаваемый программами векторной анимации.

Программы векторной графики. Самыми распространен­ным программами векторной графики являются Adobe Illustrator и Corel Draw. Они предоставляют широкий набор функций по созда­нию, редактированию векторных объектов и их атрибутов, работа­ют с текстом, а также в небольшой степени с растровыми изображе­ниями. Сложно отдать предпочтение какой-либо из этих программ, так как каждая имеет свои преимущества и недостатки.

Macromedia Freehand - менее популярная программа век­торной графики из-за некоторых проблем с заливками и отображе­нием объектов, хотя по основным функциям она не уступает двум вышеописанным.

Adobe Streamline и Corel Trace - трассировщики изобра­жений (программы для автоматической векторизации растровых изображений).

С развитием Интернета возник интерес к технологии, способ­ной при небольшом объеме информации воспроизводить анимацию. Это стало возможным благодаря появлению векторной анимации, ко-

торая при небольшом объеме векторных объектов позволяет разме­щать в Интернете анимированные интерактивные сайты, баннеры и игры. Среди программ данного направления следует назвать такие, как Macromedia Flash, Corel R.A.V.E., Adobe Live Motion, Toon boom Studio. Программы трехмерной графики 3ds MAX или Maya в послед­нее время также приобретают возможности векторной визуализации.

Macromedia Fontographer - программа создания и редакти­рования шрифтов с различными кодировками типов True Type и Typel для платформ Win и Мае. В ее возможности входит качествен­ный встроенный трассировщик, который позволяет автоматически генерировать шрифты с отсканированных образов, нарисованных сначала на бумаге в виде эскиза, с последующим редактированием и сохранением в кодовой таблице.

Необходимо отметить тенденции сближения программ рас­тровой и векторной графики. Так «исконно» растровая программа Adobe Photoshop в настоящее время обладает достаточно разви-

тым инструментарием векторного рисования, а векторная про­грамма Corel Draw большим набором операций с растровыми изо­бражениями. С появлением программы, в которой будут сочетать­ся слои для векторной и растровой графики с соответствующим инструментарием рисования и редактирования, то удастся полно­стью интегрировать два столь различных направления компью­терной графики.

Принципы работы с векторной графикой. Программы век­торной графики имеют широкий набор инструментов для создания и редактирования изображений, применения различных эффектов, заливок, обводок, фильтров. Основа векторной графики - сегменты кривой Безье, которые соединяясь в узлах, образуют контурные объекты. Объекты векторной графики имеет два основных атрибу­та - заливку и обводку. Из набора таких объектов, расположенных в определенном порядке, создаются векторные изображения. Сег­мент кривой Безье может быть изогнутым или прямым. Для усло­вия изгиба необходимо, чтобы контрольные точки не совпадали с опорными узлами. В случае, когда узловые точки и соответствую­щие им управляющие совпадают, имеет место частный случай -прямая. Соединения сегментов Безье в узлах также можно разде­лить на два класса - гладкое и с изломом. При гладком соедине­нии управляющие точки находятся на одной прямой по разные стороны от узла соединения, при этом трансформация их взаимо­связана - если одну управляющую точку мы поднимаем вверх, то вторая точка опускается вниз, и гладкое соединение сегментов ос­тается. При соединении сегментов с изломом, управляющие точки перемещаются независимо, а в месте соединения может образо­вываться угол. Типы точек можно изменять в зависимости от нуж­ной формы. Процесс редактирования кривой Безье заключается в перемещении узлов кривой и их управляющих точек. Пользова­тель может создавать в нужных местах дополнительные точки для уточнения формы кривой. Однако количество точек должно быть оптимальным, так как при меньшем количестве точек легче управ­лять векторной формой.

Создавать объекты в программах векторной графики можно несколькими способами: из стандартных объектов (эллипс, прямо­угольник, спираль, многоугольник, текст), рисуя объекты произ-

вольной формы при помощи кривых Безье, комбинируя уже имею­щиеся объекты специальными командами обработки форм (объе­динение, вычитание и пересечение).

Векторный объект имеет четыре основных параметра, опре­деляющих его в иллюстрации - это форма, заливка, обводка и ме­стоположение. Заливкой векторного объекта является содержи­мое его внутреннего пространства - однотонное и градиентное. Цветовой градиент - переход одного цвета в другой за определен­ное количество шагов. Если атрибут заливки не задан, то внутрен­нее пространство кривой является пустым. Обводкой называется набор параметров визуализации самой кривой. Основными харак­теристиками обводки являются цвет и толщина. Если толщина об­водки равна нулю, то она не визуализируется. При создании век­торной иллюстрации порядок объектов определяется очереднос­тью их рисования, то есть объект нарисованный первым будет на­ходиться внизу и, соответственно, перекрываться объектами, рас­положенными сверху. Для изменения порядка векторных объектов применяются команды их перемещения вверх-вниз, либо специа­лизированные инструменты («Менеджер объектов» в Corel Draw или «Слои» в Adobe Illustrator). Операциями трансформации объ­екта или их группы являются перемещение, масштабирование, вра­щение и скос. Для точного расположения объектов относительно друг-друга применяются команды выравнивания относительно краев или геометрических центров.

Программа Fontographer предоставляет возможности для удобного и простого создания профессиональных шрифтов форматов True Type или Typel. Программа состоит из двух частей - таблицы сим­волов шрифта, в которой каждая ячейка используется для размеще­ния отдельных шрифтовых символов, и области рисования символов, которая открывается для каждого символа шрифта отдельным окном. Область рисования содержит три слоя: первый содержит опорные ли­нии (базовую линию, линии выносных элементов); второй - ранее на­рисованные или отсканированные изображения, использующиеся как трафарет символа при трассировке; в третьем слое создаются век­торные кривые, определяющие форму символа. При создании нового шрифта каждая ячейка кодовой таблицы открывается и в ней инстру­ментами векторного рисования создается буква. Если буква состоит из нескольких элементов (буква «Ы»), то для каждого из них создает-

ся изолированный контур. В случае, если символ имеет внутренние полости (буква «О»), создается вложенный контур, определяющий внутренние границы буквы. После оцифровки символа производится настройка его ширины, определяющая расстояние относительно со­седних символов в тексте, и кернинга - сочетания межбуквенных рас­стояний. Далее генерируется шрифтовой файл в формате TTF или Typel для операционной системы Windows или Macintosh.