Основы компьютерной графики Цифровое изображение как основа компьютерной графики
Компьютерная графика – область деятельности, связанная с созданием и обработкой цифровых изображений. Вся вводимая, хранящаяся, обрабатываемая и выводимая информация представляется в них в дискретном цифровом виде, то есть с помощью цифровых кодов (чисел). ПК не может хранить и обрабатывать непрерывное реальное изображение, имеющее бесконечно большое количество элементов визуальной информации. Для этого потребуется бесконечно большой объем памяти, не говоря уже о времени загрузки и обработки такого изображения. В память ПК вводится и затем хранится модель реального изображения (цифровое изображение). Цифровое изображение – модель реального или синтезированного (созданного искусственно) изображения, хранящаяся в памяти ПК в виде комбинации кодов (цифр). Модель – это всегда упрощенное представление некого процесса или объекта, его описание. Одна из целей описания – сократить объем информации. Близость описания к исходному объекту характеризует качество модели (ее адекватность). Чем детальнее описывается реальный объект, тем лучше, качественнее модель, тем больше она ему соответствует. Вместе с тем, слишком подробное описание может стать чрезмерно громоздким, потребует больше памяти для хранения и больше времени для обработки. Поэтому всегда выбирается разумный компромисс между целями и имеющимися возможностями.
Основные виды моделей цифровых изображений
Описать изображение можно по-разному. Например, чертеж можно разложить на графические примитивы (точка, отрезок прямой, кривая, прямоугольник, окружность и т. п.) и хранить лишь описания этих объектов. В этом случае говорят о векторной модели и, соответственно, о векторном цифровом изображении. Векторная модель цифрового изображения – это список параметров, математически определяющих объекты (графические примитивы, стандартные фигуры), составляющие синтезированное изображение. Такая модель очень удобна для представления чертежей, графиков, простых рисунков (например, в стиле «анимэ»), то есть везде, где изображение легко составляется из типовых элементов. Основное ее достоинство – компактность, поскольку хранятся лишь параметры примитивов (например, для точки – ее координаты и цвет, для отрезка прямой – координаты его начала и конца, тип, толщина и цвет линии, для окружности – координаты центра и радиус и т. п.). При визуализации (преобразовании в зрительный образ на устройстве воспроизведения) все остальные точки, составляющие изображение каждого объекта, вычисляются на основании уравнений (линии, окружности и т. п.) с учетом конкретных значений, хранящихся в модели параметров. Другое достоинство векторной модели – легкость модификации. Например, чтобы изменить размер окружности, достаточно изменить в модели значение радиуса, чтобы ее переместить – изменить значения координат центра. Третье, пожалуй, самое важное свойство – качество визуализации не зависит от масштаба отображения. Масштаб любого объекта можно бесконечно увеличивать, при этом качество его отображения не изменится, поскольку оно всегда будет соответствовать качеству системы отображения (монитор, принтер). Главный недостаток векторной модели – зависимость времени визуализации от сложности и количества объектов, составляющих картину, поскольку при каждом выводе на экран производится расчет всех точек объектов. Чем сложнее изображение и больше в нем объектов, тем дольше оно рассчитывается и воспроизводится на экране. Второй существенный недостаток – невозможность адекватно описать с помощью объектов реальное изображение (например, фотографию человека). Слишком много сил придется потратить, чтобы разложить его на графические примитивы. Модель получится чрезвычайно громоздкая и неточная (представьте модель самолета из спичечных коробков!). Поэтому для реальных изображений используют другую модель – растровую, а представляемые ею изображения относят к растровой графике. Растровая модель цифрового изображения – это прямоугольная матрица геометрически одинаковых неделимых элементов, каждый из которых в закодированном виде хранит информацию о соответствующем ему участке реального или синтезированного изображения. Одинаковые неделимые элементы цифрового изображения, составляющие его растровую модель, называют пикселями (от англ. pixel – picture element, элемент изображения). Чтобы изображение выглядело естественно, а не как мозаичное панно, размеры пикселей должны быть относительно малы. Все изображения, которые вы видите на экране вашего компьютера, относятся к классу растровых и состоят из пикселей. Откройте в любом графическом редакторе, например MS Paint, какую-нибудь растровую картинку, возьмите инструмент Zoom (Масштаб) или Magnifier (Лупа, или увеличительное стекло) и максимально приблизьте ее (увеличьте масштаб). Вы увидите одинаковые по размеру квадратики, каждый из которых имеет свой цвет. Это и есть пиксели, составляющие картинку.
Тема 3.7 Редакторы обработки графической информации.
Графический редактор — программа (или пакет программ), позволяющая создавать и редактировать изображения с помощью компьютера. Компьютерную графику можно разделить на три категории:
- растровая графика;
- векторная графика;
- трёхмерная графика.
Растровое изображение (цифровое изображение) — это файл данных или структура, представляющая прямоугольную сетку пикселей или точек цветов на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Наименьший элемент растрового изображения называется пиксель. Изображение состоит из упорядоченной «решетки» (растра) пикселей, находящихся столь близко друг к другу, что глаз не замечает этой «зернистой» структуры. Изменение размеров растровых изображений может существенно повлиять на их качество, т. к. масштабирование осуществляется без вмешательства каких-либо сложных математических операций. Растровая графика позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому. Растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов. Одним из самых популярных и известных редакторов является Adobe Photoshop, который позволяет эффективно использовать все преимущества растровой графики. Один из простейших редакторов растровой графики, поставляемый вместе с ОС Windows — Microsoft Paint. Векторная графика (другое название — геометрическое моделирование) — это использование геометрических примитивов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники, для представления изображений в компьютерной графике. Изображение в векторном формате даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться. Преимуществом векторной графики является независимость качества изображения от масштаба рисунка. Минус этой графики – недостаточная возможность для работы с фотоизображениями. Программы векторной графики лучше использовать для чертёжно-графических, оформительских работ, создания логотипов, визитных карточек. Наиболее популярные программы векторной графики: CorelDraw, MacromediaFlash, Adobe Illustrator.Возможности графических редакторов.Основные возможности графических редакторов:
- Создание и редактирование изображения (обрисовка стандартных фигур, использование различных стилей и цветов, копирование-удаление-перенос фрагментов, повороты и деформации. В векторных: управление группами объектов).
- Развитые редакторы позволяют создавать рисунки из нескольких слоев (и редактировать каждый слой отдельно), позволяют менять отдельные цвета, предоставляют специальные инструменты для создания различных эффектов; их часто используют для редактирования фотографий.
- Работа с файлами (сохранение, редактирование; импорт-экспорт в другие форматы; использование библиотек готовых рисунков — ClipArt).
Основное преимущество растровых редакторов — простота. Основные недостатки — для хранения даже очень простых рисунков требуется очень много памяти; и при деформациях может значительно пострадать качество изображения. У векторной графики преимущества и недостатки противоположны растровой: простые рисунки записываются в файлы более компактно; набор инструментов преобразования рисунков более богат, при этом повороты, растяжения, сжатия, сдвиги и т.п. проходят практически без потери качества. Трёхмерная графика (3D, 3 Dimensions) — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке. Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала). Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:
- моделирование — создание математической модели сцены и объектов в ней;
- рендеринг — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
Программные пакеты, позволяющие производить трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Многие графические программы предназначены для обработки только векторного изображения или только растра, но существуют и программы, сочетающие оба типа. Достаточно просто преобразовать векторное изображение в растр (растрирование), обратная задача является достаточно сложной, но существуют программы и для этого (т. н. векторизаторы). Программы для работы с трехмерной графикой могут использовать как векторные (например, для построения сложных объектов), так и растровые (например в качестве текстур) изображения. Многие графические программы позволяют импортировать и экспортировать в различные графические форматы. Графические форматы файлов предназначены для хранения изображений, таких как фотографии и рисунки. Графические форматы делятся на векторные и растровые. Растровые форматы
- BMP
- GIF
- JPEG
- PNG
- TIFF
- WMP
Векторные форматы
- Scalable Vector Graphics (SVG и SVGZ)
- Encapsulated PostScript (EPS)
- Метафайлы Windows: WMF, EMF
- Файлы CorelDraw: CDR, CMX
Растровый редакторPaint Одним из самых простых растровых графических редакторов является редактор Paint из пакета стандартных программ Wimdows. Данный редактор позволяет создавать и редактировать изображения, а также сохранять их в нескольких распространенных форматах, таких, как bmp, jpeg, gif. Окно редактора имеет стандартный для Windows- приложений интерфейс (рисунок 3.16). 
Рисунок 3.16 Окно графического редактораPaint Меню программы содержит следующие группы команд:
- Файл – позволяет создать существующий графический файл, сохранить готовый файл, выйти из программы;
- Правка – содержит стандартные операции по работе с элементами файла: выделить, скопировать, вырезать, вставить и др.;
- Вид – позволяет скрыть или показать панель инструментов, палитру цветов, строку подсказки. Здесь можно изменить масштаб изображения;
- Рисунок – содержит основные операции по манипулированию изображением или его частью: повороты, симметричное отражение, увеличение и др.;
- Палитра – позволяет изменить палитру цветов по стандартной таблице настройки цветов;
- Справка – вызывает справку по работе с Paint.
Панель инструментов предназначена для рисования или корректировки изображений. Если она отсутствует на экране. Ее можно вызвать на экран командой Вид – Набор инструментов. Панель инструментов содержит набор инструментов для рисования (карандаш, кисть, распылитель, заливка), для выделения областей и стирания, для работы с текстом, а также содержит набор стандартных графических элементов (линия, прямоугольник, эллипс). Палитра цветов, расположенная внизу, позволяет задавать цвет фона, изображения или заливки. Если палитра отсутствует, ее можно вызвать командой вид – Палитра. В левой части палитры отображается текущий цвет 
. Текущий цвет изображения или заливки (верхний квадрат) выбирается в палитре цветов левой кнопкой мыши, а цвет фона (нижний квадрат) – правой.
Создание цифровых изображений
Цифровые изображения можно не только вводить в компьютер, но и создавать с его помощью «из чего-то» или «из ничего». Создать изображения можно двумя основными способами:
- нарисовать с помощью специальных инструментов рисования или скомбинировать из фрагментов различных изображений (коллаж);
- сгенерировать с использованием специальных программ.
В первом случае применяются программы векторной и растровой иллюстративной графики. Художник располагает широким набором различных инструментов и с их помощью рисует картину на экране монитора. В качестве устройств ввода для рисования удобнее всего использовать графический планшет, чувствительный к нажатию, скорости ведения и наклону стилуса (рис.). Современные стилусы – беспроводные и, как правило, не требуют элементов питания. Рис. Графический планшет: обычный (слева) и на основе ЖК-индикатора (справа) Стилусы бывают разных видов и назначения:
- обычная ручка, чувствительная к нажатию и к наклону;
- штриховая ручка – разработана специально для художников, ее перо мягче и лучше реагирует на нажатие, чем у обычной ручки;
- чернильная ручка – ею с помощью чернил можно рисовать по бумаге непосредственно на поверхности планшета;
- кисть – напоминает традиционную кисть художника (интенсивностью потока краски можно управлять с помощью колесика).
Кроме стилусов планшеты могут комплектоваться специальным манипулятором типа мыши с программируемыми кнопками (до 5 штук), а также электронным указателем, имеющим линзу с перекрестьем для точного позиционирования при оцифровке чертежей. С помощью специальных программ изображения создаются при минимальном участии человека, поскольку графические образы генерируются программой, чаще всего на основе так называемой фрактальной графики. Типичный пример – программа World Builder («строитель миров»), которая применяется при моделировании реалистичных трехмерных ландшафтов. Независимо от способа получения цифрового изображения оно хранится в памяти компьютера или на внешнем носителе.
Хранение и обработка цифрового изображения
- универсальные (.bmp, .gif, .tif, .jpg и др.);
- специализированные (.psd, .3ds, .cdr. и др.).
При подготовке материала использовались источники:
https://studfile.net/preview/1845351/
https://studfile.net/preview/4599437/page:17/
https://studfile.net/preview/1845351/page:7/