Комп’ютерна графікаТема: комп’ютерна графіка. План уроку: 1. Поняття комп’ютерної графіки. 2. Фрактальна графіка. 3. Тривимірна графіка. 4. Растрова графіка. 5. Векторна графіка. Представлення даних на моніторі комп'ютера в графічному вигляді вперше було реалізоване в середині 50-х років для великих ЕОМ, що застосовувалися в наукових і військових дослідженнях. З тих пір графічний спосіб відображення даних став невід'ємною приналежністю переважного числа комп'ютерних систем, особливо персональних. Графічний інтерфейс користувача сьогодні є стандартом “де-факто” для програмного забезпечення різних класів, починаючи з операційних систем. Існує спеціальна область інформатики, що вивчає методи і засоби створення і обробки зображень за допомогою програмно-апаратних обчислювальних комплексів, - комп'ютерна графіка. Комп'ютерна графіка - це створення й обробка зображень (малюнків, креслень і т. д.) за допомогою комп'ютера. Вона охоплює всі види і форми представлення зображень, доступних для сприйняття людиною або на екрані монітора, або у вигляді копії на зовнішньому носієві (папір, кіноплівка, тканина і інше). Без комп'ютерної графіки неможливо уявити собі не тільки комп'ютерний, але і звичайний, цілком матеріальний світ. Візуалізація даних знаходить застосування в самих різних сферах людської діяльності. Для прикладу назвемо медицину (комп'ютерна томографія), наукові дослідження (візуалізація будови речовини, векторних полів і інших даних), моделювання тканин і одягу, дослідно-конструкторські розробки. Залежно від способу формування зображень комп'ютерну графіку прийнято підрозділяти на растрову, векторну і фрактальну. Малюнок 1 Малюнок 2 Малюнок 3 Окремим предметом вважається тривимірна (3d) графіка, що вивчає прийоми і методи побудови об'ємних моделей об'єктів у віртуальному просторі. Як правило, в ній поєднуються векторний і растровий способи формування зображень. Особливості колірного обхвату характеризують такі поняття, як чорно-біла і кольорова графіка. На спеціалізацію в окремих областях вказують назви деяких розділів: інженерна графіка, наукова графіка, Web-графіка, комп'ютерна поліграфія та інші. На стику комп'ютерних, телевізійних і кінотехнологій зародилася і стрімко розвивається порівняно нова область комп'ютерної графіки і анімації. Помітне місце в комп'ютерній графіці відведене розвагам. З'явилося навіть таке поняття, як механізм графічного представлення даних (Graphics Engine). Ринок ігрових програм має оборот в десятки мільярдів доларів і часто ініціалізує чергові етапи вдосконалення графіки і анімації. Хоча комп'ютерна графіка служить всього лише інструментом, її структура і методи засновані на передових досягненнях фундаментальних і прикладних наук: математики, фізики, хімії, біології, статистики, програмування і множини інших. Це зауваження справедливе як для програмних, так і для апаратних засобів створення і обробки зображень на комп'ютері. Тому комп'ютерна графіка є однією з галузей інформатики, що найшвидше розвиваються, і у багатьох випадках виступає “локомотивом”, що тягне за собою всю комп'ютерну індустрію. Види комп'ютерної графіки Фрактальна графіка Фрактальна графіка заснована на математичних обчисленнях. Базовим елементом фрактальної графіки є сама математична формула, тобто ніяких об'єктів в пам'яті комп'ютера не зберігаються і зображення будується виключно по рівняннях. У такий спосіб будують як прості регулярні структури, так і складні ілюстрації, що імітують природні ландшафти і тривимірні об'єкти. Тривимірна графіка Тривимірна графіка знайшла широке застосування в таких областях, як наукові розрахунки, інженерне проектування, комп'ютерне моделювання фізичних об'єктів (мал. 3). Як приклад розглянемо найбільш складний варіант тривимірного моделювання - створення рухливого зображення реального фізичного тіла. У спрощеному вигляді для просторового моделювання об'єкту потрібно: — спроектувати і створити віртуальний каркас (“скелет”) об'єкту, найбільш відповідний його реальній формі; — спроектувати і створити віртуальні матеріали, по фізичних властивостях візуалізації схожі на реальні; — присвоїти матеріали різним частинам поверхні об'єкту (на професійному жаргоні - “спроектувати текстури на об'єкт”); — налаштувати фізичні параметри простору, в якому діятиме об'єкт, - задати освітлення, гравітацію, властивості атмосфери, властивості взаємодіючих об'єктів і поверхонь; — задати траєкторії руху об'єктів; — розрахувати результуючу послідовність кадрів; — накласти поверхневі ефекти на підсумковий анімаційний ролик. Особливу область тривимірного моделювання в режимі реального часу складають тренажери технічних засобів — автомобілів, суден, літальних і космічних апаратів. У них необхідно дуже точно реалізовувати технічні параметри об'єктів і властивості навколишнього фізичного середовища. У простіших варіантах, наприклад при навчанні водінню наземних транспортних засобів, тренажери реалізують на персональних комп'ютерах. Найдосконаліші на сьогоднішній день пристрої створені для навчання пілотуванню космічних кораблів і військових літальних апаратів. Моделюванням і візуалізацією об'єктів в таких тренажерах зайнято декілька спеціалізованих графічних станцій, побудованих на могутніх RISC-процесорах і швидкісних відеоадаптерах з апаратними прискорювачами тривимірної графіки. Загальне управління системою і прорахунок сценаріїв взаємодії покладені на суперкомп'ютер, що складається з десятків і сотень процесорів. Вартість таких комплексів виражається дев'ятизначними цифрами, але їх застосування окуповується достатньо швидко, оскільки навчання на реальних апаратах в десятки разів дорожче. Растрова графіка Для растрових зображень, що складаються з точок, особливу важливість має поняття дозволу, що виражає кількість точок на одиницю довжини. При цьому слід розрізняти: — дозвіл оригіналу; — дозвіл екранного зображення; — дозвіл друкарського зображення. Дозвіл оригіналу. Дозвіл оригіналу вимірюється в точках на дюйм (dots per inch - dpi) і залежить від вимог до якості зображення і розміру файлу, способу оцифровки і створення початкової ілюстрації, вибраного формату файлу і інших параметрів. У загальному випадку діє правило: чим вище вимога до якості, тим вище повинен бути дозвіл оригіналу. Дозвіл екранного зображення. Для екранних копій зображення елементарну точку растру прийнято називати пікселем. Розмір пікселя варіюється залежно від вибраного екранного дозволу (з діапазону стандартних значень), дозвіл оригінала і масштаб відображення. Монітори для обробки зображень з діагоналлю 20-21 дюйм (професійного класу), як правило, забезпечують стандартні екранні дозволи 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точок. Відстань між сусідніми крапками люмінофора у якісного монітора складає 0,22-0,25 мм. Для екранної копії достатньо дозволу 72 dpi, для друку на кольоровому або лазерному принтері 150-200 dpi, для виводу на фотоекспонуючому пристрої 200-300 dpi. Встановлено емпіричне правило, що при друці величина дозволу оригіналу повинна бути в 1,5 разу більше, ніж лініатура растру пристрою виводу. У випадку, якщо тверда копія буде збільшена в порівнянні з оригіналом, ці величини слід помножити на коефіцієнт масштабування. Масштабування растрових зображень. Одним з недоліків растрової графіки є так звана пікселізація зображень при їх збільшенні (якщо не прийняті спеціальні заходи). Раз в оригіналі присутня певна кількість крапок, то при більшому масштабі збільшується і їх розмір, стають помітні елементи растру, що спотворює саму ілюстрацію (ріс.4). Для протидії пікселізації прийнято заздалегідь оцифровувати оригінал з дозволом, достатнім для якісної візуалізації при масштабуванні. Інший прийом полягає в застосуванні стохастичного растру, що дозволяє зменшити ефект пікселізації в певних межах. Нарешті, при масштабуванні використовують метод інтерполяції, коли збільшення розміру ілюстрації відбувається не за рахунок масштабування точок, а шляхом додавання необхідного числа проміжних точок. Малюнок 4. Ефект пікселізації при масштабуванні растрового зображення Векторна графіка Якщо в растровій графіці базовим елементом зображення є точка, то у векторній графіці - лінія. Лінія описується математично як єдиний об'єкт, і тому об'єм даних для відображення об'єкту засобами векторної графіки істотно менший, ніж в растровій графіці. Лінія - елементарний об'єкт векторної графіки. Як і будь-який об'єкт, лінія володіє властивостями: формою (пряма, крива), товщиною, кольором, зображенням (суцільна, пунктирна). Замкнуті лінії набувають властивості заповнення. Охоплюваний ними простір може бути заповнене іншими об'єктами (текстури, карти) або вибраним кольором. Проста незамкнута лінія обмежена двома крапками, іменованими вузлами. Вузли також мають властивості, параметри яких впливають на форму кінця лінії і характер сполучення з іншими об'єктами. Всі інші об'єкти векторної графіки складаються з ліній. Наприклад, куб можна скласти з шести зв'язаних прямокутників, кожен з яких, у свою чергу, утворений чотирма зв'язаними лініями. Можливо, представити куб і як дванадцять зв'язаних ліній, утворюючих ребра. Малюнок 5. Об’єкти векторної графіки Малюнок 6. приклад векторного зображення Малюнок 7. приклад растрового зображення Представлення графічних даних Формати графічних даних У комп'ютерній графіці застосовують щонайменше три десятки форматів файлів для зберігання зображень. Але лише частина з них стала стандартом “де-факто” і застосовується в переважній більшості програм. Як правило, несумісні формати мають файли растрових, векторних, тривимірних зображень, хоча існують формати, що дозволяють зберігати дані різних класів. Багато застосувань орієнтовано на власні “специфічні” формати, перенесення їх файлів в інші програми вимушує використовувати спеціальні фільтри або експортувати зображення в “стандартний” формат. TIFF (Tagged Image File Format). Формат призначений для зберігання растрових зображень високої якості (розширення імені файлу .TIF). Належить до широких поширених, відрізняється переносимістю між платформами (IBM РС і Apple Macintosh), забезпечений підтримкою з боку більшості графічних, верстальних і дизайнерських програм. Передбачає широкий діапазон колірного обхвату - від монохромного чорно-білого до 32-розрядної моделі цветоделенія CMYK. Починаючи з версії 6.0 у форматі TIFF можна зберігати зведення про маски (контурах обтравки) зображень. Для зменшення розміру файлу застосовується вбудований алгоритм стиснення LZW. PSD (Photoshop Document). Власний формат програми Adobe Photoshop (розширення імені файлу .PSD), один з найбільш могутніх по можливостях зберігання растрової графічної інформації. Дозволяє запам'ятовувати параметри шарів, каналів, ступеня прозорості, безлічі масок. Підтримуються 48-розрядне кодування кольору, цветоделеніє і різні колірні моделі. Основний недолік виражений в тому, що відсутність ефективного алгоритму стиснення інформації приводить до великого об'єму файлів. PCX. Формат з'явився як формат зберігання растрових даних програми РС Paintbrush фірми Z-soft і є одним з найбільш поширених (розширення імені файлу .PCX). Відсутність можливості зберігати кольороподілені зображення, недостатність колірних моделей і інші обмеження привели до втрати популярності формату. В даний час вважається застарілим. JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат призначений для зберігання растрових зображень (розширення імені файлу .JPG). Дозволяє регулювати співвідношення між ступенем стиснення файлу і якістю зображення. Вживані методи стиснення засновані на видаленні “надмірної” інформації, тому формат рекомендують використовувати тільки для електронних публікацій. GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизований в 1987 році як засіб зберігання стислих зображень з фіксованою (256) кількістю квітів (розширення імені файлу .GIF). Отримав популярність в Інтернеті завдяки високому ступеню стиснення. Остання версія формату Gif89a дозволяє виконувати чересстрочную завантаження зображень і створювати малюнки з прозорим фоном. Обмежені можливості по кількості квітів обумовлюють його застосування винятково в електронних публікаціях. PNG (Portable Network Graphics). Порівняно новий (1995 рік) формат зберігання зображень для їх публікації в Інтернеті (розширення імені файлу .PNG). Підтримуються три типи зображень - кольорові з глибиною 8 або 24 бита і чорно-біле з градацією 256 відтінків сірого. Стиснення інформації відбувається практично без втрат, передбачено 254 рівні альфа-канала, чересстрочная розгортку. WMF (Windows Metafile). Формат зберігання векторних зображень операційної системи Windows (розширення імені файлу .WMF). За визначенням підтримується всіма додатками цієї системи. Проте відсутність засобів для роботи із стандартизованими колірними палітрами, прийнятими в поліграфії, і інші недоліки обмежують його застосування. EPS (Encapsulated Postscript). Формат опису як векторних, так і растрових зображень на мові Postscript фірми Adobe, фактичному стандарті в області допечатних процесів і поліграфії (розширення імені файлу .EPS). Оскільки мова Postscript є універсальною, у файлі можуть одночасно зберігатися векторна і растрова графіка, шрифти, контури обтравки (маски), параметри калібрування устаткування, колірні профілі. Для відображення на екрані векторного вмісту використовується формат WMF, а растрового - TIFF. Але екранна копія лише у загальних рисах відображає реальне зображення, що є істотним недоліком EPS. Дійсне зображення можна побачити лише на виході вивідного пристрою, за допомогою спеціальних програм перегляду або після перетворення файлу у формат PDF в додатках Acrobat Reader, Acrobat Exchange. PDF (Portable Document Format). Формат опису документів, розроблений фірмою Adobe (розширення імені файлу .PDF). Хоча цей формат в основному призначений для зберігання документа цілком, його вражаючі можливості дозволяють забезпечити ефективне представлення зображень. Формат є аппаратно-незавісимьм, тому виведення зображень допустиме на будь-яких пристроях - від екрану монітора до фотоекспонуючого пристрою. Могутній алгоритм стиснення із засобами управління підсумковим дозволом зображення забезпечує компактність файлів при високій якості ілюстрацій.
