Лекции 9 1 Компьютерная графика понятие и классификация

Лекции 9/1. Компьютерная графика – понятие и классификация

Учебные вопросы 1. Растровая и векторная компьютерная графика. 2. Программное обеспечение компьютерной графики. Графические форматы данных.

1. Растровая и векторная компьютерная графика Способ записи информации с помощью последовательности байт и называют форматом файла. Графический формат - это способ записи графической информации

Способ представления изображения оказывает влияние на возможности его редактирования, печати, на объем занимаемой памяти. Существуют два основных способа кодирования графической информации: - векторный; - растровый

Растровый формат характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие прямоугольники - так называемые элементы изображения, или пиксели (от английского pixel -- picture element)

В файле, содержащем растровую графику, хранится информация о цвете каждого пикселя данного изображения. Чем меньше прямоугольники, на которые разбивается изображение, тем больше РАЗРЕШЕНИЕ (resolution), то есть, тем более мелкие детали можно закодировать в таком графическом файле

Размер (size) изображения, хранящегося в файле, задается в виде числа пикселов по горизонтали (width) и вертикали (height). Для примера, оптимальное разрешение 15 -дюймового монитора, как правило, составляет 1024 x 768

Глубина цвета Кроме размера изображения, важной является информация о количестве цветов, закодированных в файле. Цвет каждого пикселя кодируется определенным числом бит (bit), то есть элементарных единиц информации, с которыми может иметь дело компьютер

Каждый бит может принимать два значения - 1 или 0. В зависимости от того, сколько бит отведено для цвета каждого пикселя, возможно кодирование различного числа цветов. Если для кодировки отвести лишь один бит, то каждый пиксель может быть либо белым (значение 1), либо черным (значение 0). Такое изображение называют монохромным (monochrome)

Если для кодировки отвести четыре бита, то можно 4=16 различных закодировать 2 цветов, отвечающих комбинациям бит от 0000 до 1111

Если отвести 8 бит - то такой рисунок может содержать 28=256 различных цветов (от 0000 до 1111), 16=65 536 различных 16 бит - 2 цветов (так называемый High Color)

Если отвести 24 бита, то потенциально рисунок может содержать 224=16 777 216 различных цветов и оттенков - вполне достаточно даже для самого взыскательного художника! В последнем случае кодировка называется 24 -bit True Color.

RGB-модель Способ разделения цвета на составляющие компоненты называется ЦВЕТОВОЙ МОДЕЛЬЮ. В компьютерной графике применяются три цветовые модели: RGB, CMYK и HSB

Наиболее распространенным способом кодирования цвета является модель RGB. При этом способе кодирования любой цвет представляется в виде комбинации трех цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), взятых с разной интенсивностью. Интенсивность каждого из трех цветов - это один байт (т. е. число в диапазоне от 0 до 255)

Цветовая модель CMYK соответствует рисованию красками на бумажном листе и используется при работе с отраженным цветом, т. е. для подготовки печатных документов

Цветовыми составляющими этой модели являются цвета: голубой (Cyan), лиловый (Magenta), желтый (Yellow) и черный (Black). Эти цвета получаются в результате вычитания основных цветов модели RGB из белого цвета. Черный цвет задается отдельно. Увеличение количества краски приводит к уменьшению яркости цвета

Цветовая модель HSB Системы цветов RGB и CMYK связаны с ограничениями, накладываемыми аппаратным обеспечением (монитор компьютера в случае RGB и типографские краски в случае CMYK). Цветовая модель HSB наиболее удобна для человека, т. к. она хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Компонентами модели HSB являются: - тон (Hue); - насыщенность (Saturation); - яркость цвета (Brightness).

Тон - это конкретный оттенок цвета. Насыщенность характеризует его интенсивность или чистоту. Яркость же зависит от примеси черной краски, добавленной к данному цвету Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по границе окружности - чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задают на отдельной оси

Особенности растровой графики Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой

При оцифровке изображения оно делится на такие крошечные ячейки, что глаз человека их не видит, воспринимая все изображение как целое. Сама сетка получила название растровой карты, а ее единичный элемент называется пикселем

Пиксели подобны зернам фотографии и при значительном увеличении они становятся заметными. Растровая карта представляет собой набор (массив) троек чисел: две координаты пикселя на плоскости и его цвет

Векторный формат При векторном формате рисунок представляется в виде комбинации простых геометрических фигур - точек, отрезков прямых и кривых, окружностей, прямоугольников и т. п. При этом для полного описания рисунка необходимо знать вид и базовые координаты каждой фигуры, например, координаты двух концов отрезка, координаты центра и диаметр окружности и т. д. Этот способ кодирования идеально подходит для рисунков, которые легко представить в виде комбинации простейших фигур, например, для технических чертежей

Основным логическим элементом векторной графики является геометрический объект. В качестве объекта принимаются простые геометрические фигуры (так называемые примитивы - прямоугольник, окружность, эллипс, линия), составные фигуры или фигуры, построенные из примитивов, цветовые заливки, в том числе градиенты

Преимущество векторной графики заключается в том, что форму, цвет и пространственное положение составляющих ее объектов можно описывать с помощью математических формул. Важным объектом векторной графики является сплайн. Сплайн - это кривая, посредством которой описывается та или иная геометрическая фигура. На сплайнах построены современные шрифты Trye. Type и Post. Script

Сравнение растровой и векторной графики Показатель сравнения Растровая графика Векторная графика Способ представления изображения Растровое изображение строится из множества пикселей. Векторное изображение описывается в виде последовательности команд. Представление объектов реального мира Растровые рисунки эффективно используются для представления реальных образов. Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества. Качество редактирования изображения При масштабировании и вращении растровых картинок возникают искажения. Векторные изображения могут быть легко преобразованы без потери качества. Особенности печати изображения Растровые рисунки могут быть легко напечатаны на принтерах. Векторные рисунки иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы.

Фрактальная графика • Фрактальная графика, как и векторная вычисляемая, но отличается тем, что никакие объекты в памяти не хранятся. Изображение строится по уравнению, или системе уравнений, поэтому ничего кроме формулы хранить не надо. Изменив коэффициенты можно получить совершенно другую картину. • Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы (снежинка, ветка папоротника) • Способность фрактальной графики моделировать образы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

• Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектовнаследников. • Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70 -х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из фрагментов» . Оно было предложено математиком Бенуа Мандель-Бротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. • Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Простейшим фрактальным объектом является треугольник

• Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Сегодня немногие компьютерщики в нашей стране и за рубежом знают фрактальную графику

• Фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически благодаря фрактальной графике найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные. Геометрические фракталы на экране компьютера — это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальная музыка.

Трехмерная компьютерная графика • Реальные объекты существуют в трехмерном пространстве, поэтому кроме длины и высоты они имеют толщину. Когда изображение объекта воспроизводится на плоском (двухмерном) экране, можно либо игнорировать его толщину, либо спроектировать объект на экран так, чтобы ощущалась глубина изображения. Отображение глубины значительно улучшает восприятие рисунков и увеличивает их информативность.

Трехмерная компьютерная графика • Например, ящик может быть представлен в виде двухмерного изображения (рис. 3), либо в виде трехмерного изображения (рис. 4).

• В трехмерной графике уровни напряжения, подведенные к дисплею для формирования на экране заданного рисунка и его раски, зависят от графических команд, составляющих программы форматирования изображения. • Эти программы пишутся на языках программирования высокого уровня с использованием специальных графических операторов. Кроме того, применяются специальные языки программирования, разработанные пользователями систем машинной графики для решения некоторых классов задач. Операторы преобразуются с помощью компьютера в уровни напряжений, которые затем подаются на дисплей и формируют изображения в соответствии с заданием. • Программы, управляющие работой дисплеев, могут формировать рисунки и графики, модифицировать и перестраивать их, а также создавать движущиеся изображения. Рисунки и графики при трехмерном преобразовании изображений могут перемещаться или постепенно двигаться в пространстве, если для всех точек предмета выбраны одни и те же значения Н, V и D.

2. Программное обеспечение компьютерной графики. Графические форматы данных. • Графический редактор — это графический пакет программ, расширенный интерактивными средствами дружественного интерфейса, обеспечивающего: • изготовление изображений без непосредственного применения пользователем языков программирования, • сохранение подготовленного изображения на магнитном носителе в виде документов или шаблонов, • преобразование изображений и реализацию специальных эффектов, • использование встроенных и внешних графических библиотек, • экспорт и импорт изображений, • масштабирования и по листовой печати.

Классификация графических редакторов Графические редакторы можно классифицировать по целому ряду признаков. Можно выделить три основные группы: векторная графика, растровая графика и трехмерная графика. Все программы этой серии призваны помочь в создании изображений. К программам векторной графики относятся такие программы, как Corel Draw, Adobe Illustrator, macromedia Free. Hand

К программам растровой графики относятся программы типа Paint, Paintbrush, Adobe Photoshop

К программам трехмерной графики относятся прикладные программы, служащие для построения объемных изображений, и графические программы типа 3 D Studio

Классификация программ по функциональному назначению - деловая графика, - иллюстративная графика, - инженерная графика, - научная графика

Классификация по принципу автономности исполнения • Встроенные графические редакторы (в MS Office: Рисование, Редактор диаграмм, Редактор оргдиаграмм, Word. Art), • Графические редакторы, поставляемые как самостоятельные программные изделия (Photo. Shop, MS Visio).

2. 1. Графические форматы файлов • Графи ческий форма т — это способ записи графической информации в компьютерном файле. Формат файла обычно указывается в его имени, как часть, отделённая точкой (часто эту часть называют расширением имени файла). • Форматы данных, используемые для хранения графических изображений, делятся на две большие группы: • Растровые форматы — разновидность описания изображения получаемая путем разбиения исходной картинки на прямоугольники, соответствующие минимально возможному элементарному изображению на экране (пикселю). Разбиение осуществляется с помощью виртуальной сетки, каждая клетка которой соответствует пикселю своего цвета. • Векторные форматы — разновидность описания изображения в виде серии отрезков, кривых, линейных фигур возможно с некоторыми закрашенными областями. Строго говоря, понятие вектор применимо только к линии (направленному отрезку), как было на первых этапах развития компьютерной графики. Но позже этот же термин был применен и к другим описаниям изображений, если они описываются совокупностью формул, а не пикселями.

Растровые форматы • • PCX использует простейший способ сжатия изображений, позволяющий выполнять быструю перепись изображения из файла в видеопамять и обратно. Данный формат используют многие графические редакторы, в частности, редактор Paint. Brush в среде Windows. Является одним из наиболее распространённых форматов, которые используют сканеры. BMP задает цвет всех пикселей изображения. При этом можно выбирать монохромный режим с 256 градациями серого цвета или цветной режим – с 16, 256 или 16 777 216 цветами. Рисунки в этом формате занимают много места на диске. GIF поддерживает 256 цветов. Использует специальные методы сжатия. Качество несколько хуже, чем в формате BMP, но объем в несколько десятков раз меньше. Широко используется в Интернент. Может хранить несколько изображений в одном файле и последовательно их воспроизводить на экране дисплея, что обеспечивает отображение анимационных рисунков. Однако воспроизведение фотографий в этом формате дает неприемлемые изображения. JPEG устраняет недостаток формата GIF, обеспечивая хорошее качество воспроизведение фотографий за счет отбрасывания при сжатии данных тех цветов, которые плохо воспринимаются глазом человека (т. е. при сжатии происходит некоторая потеря данных, соответствующих первоначальному изображению). Поддерживается 16 777 216 цветов. PNG является развитием формата GIF в части цветопередачи и сжатия кода. Ориентирован на использование высококачественного отображения графики в Интернете, но плохо подходить для печати изображений. TIFF устраняет недостаток формата PNG т. к. ориентирован на работу в издательских системах для печати высококачественных изображений. Используется также в сканерах, цифровых фото- и видеокамерах. По качеству сжатии близок GIF и PNG. К числу векторных форматов относят WMF предназначен для передачи векторных рисунков через буфер обмена. Поддерживается почти всеми приложениями Windows. Однако, не смотря на простоту и универсальность, пользоваться этим форматом стоит только в том случае, если нужна передача "голых"векторов (т. к. WMF искажает цвет, не поддерживает ряда параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных редакторах).

GIF - формат Популярный формат GIF разработан фирмой Compu. Serve, как не зависящий от аппаратного обеспечения. Он предназначен для хранения растровых изображений с сжатием. GIF-формат позволяет записывать изображение "через строчку" (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернет. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может содержать не более 256 цветов.

JPEG - формат Формат файла JPEG (Joint Photographic Experts Group) был разработан компанией C-Cube Microsystems, как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета, например, получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми (а иногда и неуловимыми) оттенками цвета. Самое большое отличие формата JPEG от других форматов состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями (а не алгоритм без потерь)

Векторные форматы • WMF предназначен для передачи векторных рисунков через буфер обмена. Поддерживается почти всеми приложениями Windows. Однако, не смотря на простоту и универсальность, пользоваться этим форматом стоит только в том случае, если нужна передача "голых"векторов (т. к. WMF искажает цвет, не поддерживает ряда параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных редакторах). • PIC (от Picture) использовался разработчиками системы 1 -2 -3 фирмы Lotus для хранения изображений, получаемых при работе с электронными таблицами. В отличие от растровых форматов, данный формат по существу содержит небольшое количество команд управления положением "пера", рисующего изображения, и задания его атрибутов.

Комбинированные форматы • ESP использует описания как векторных, так и растровых изображений на языке Post. Script фирмы Adobe фактическом стандарте допечатных процессов и полиграфии Так как язык Post. Script является универсальным, в файле могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты, контуры обтравки (маски) и пр. Однако формат обеспечивает хранение не более одной страницы и не сохраняет ряд установок принтера. • PDF устраняет ограничения формата ESP и хранит документы целиком. Является аппаратно-независимым, поэтому вывод изображения допустим на любые устройства. Средства сжатия обеспечивают компактность файлов при высоком качестве иллюстраций. Просмотр возможен с помощью бесплатно распространяемой программы Acrobat Reader. Основан на языке Post. Script Level 2 (а не Post. Script), поэтому может содержать элементы, обеспечивающие поиск и просмотр электронного документа, работу с гиперссылками и электронным оглавлением.

Некоторые прикладные программы имеют возможность работать, как с векторными, так и с растровыми изображениями. Текстовый редактор Microsoft Word способен включать векторные и растровые изображения, однако он не обрабатывает изображения, а лишь привязывает их к документу.

2. 2. Устройства ввода и вывода графической информации • Устройства ввода • Традиционные средства интерактивного ввода • Современные средства ввода • Устройства вывода • Дисплеи • Средства документирования графической информации на твердом носителе

Традиционные средства интерактивного ввода • • • Световое перо Планшет Мышь Шар (трекбол) Клавиатура

Методы использования традиционных интерактивных устройств ввода на примере «мыши» Различают: 1. Позиционирование 2. Указывание 3. Рисование 4. Ввод команд 5. Ввод данных

Современные средства ввода Различают: 1. Трекпоинт 2. Джойстик 3. Сканер 4. Цифровой фотоаппарат 5. Цифровая видеокамера 6. Сенсорный экран 7. Тачпад 8. ТВ-тюнер

Трекпоинт (Trackpoint) (от англ. track — след и point — точка) Альтернатива манипулятору типа мышь в ноутбуках. Устройство представляет собой выступ (резиновый рычаг) на клавиатуре между клавишами [G] [H] [B]. Под рычагом расположены датчики давления которые и передают сигналы в компьютер. 1) http: //www. whatis. ru/hard/perif 10. shtml

Се нсорный экра н СЭ — устройство ввода-вывода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. 1) Материал из Википедии

Тачпа д (англ. touchpad — сенсорная площадка) • Чаще всего используется в ноутбуках. • Работа основана на измерении ёмкости пальца или измерении ёмкости между сенсорами т. е. датчиками, которые расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей тачпада.

Устройства вывода • Дисплеи • Средства документирования графической информации на твердом носителе

Классификация современных растровых мониторов 2. 1. По способу создания изображения 2. 1. 1. На основе ЭЛТ 2. 1. 2. На основе панелей 2. 1. 3. На другой основе - жидкокристаллических тонкоплёночных светодиодов - плазменных электронных чернил

На основе панелей а) жидкокристаллическая панель (LCD - liquid-crystal display) ЖК-панели используют, «просветную» матрицу. Это - поляризованные слои прозрачного вещества, содержащего жидкие кристаллы, которые откликаются на пропускание (или блокирование) тока. Подсветкой служит флуоресцентная лампа, установленная внутри экрана. Подробнее http: //ru. wikipedia. org/wiki/ЖК-монитор

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов: • Разрешение: Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное» , физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией. • Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением. • Соотношение сторон экрана(формат): Отношение ширины к высоте, например: 4: 3, 16: 9, 16: 10, 5: 4. • Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4: 3 имеет большую площадь, чем с форматом 16: 10 при одинаковой диагонали. • Контрастность: отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки, приведенная для них цифра контрастности не относится к контрасту изображения. • Яркость: количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр. • Время отклика: минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны. • Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями считается по-разному, и часто сравнению не подлежит. • Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей Подробнее http: //ru. wikipedia. org/wiki/ЖК-монитор

На основе панелей б) плазменная панель (PDP) Плазменная панель – это две стеклянные пластины, в проеме между которыми находится газообразная смесь. Сквозь газ пропускаются электрические разряды, и заряженный газ формирует картинку на экране, «зажигая» пиксели (простейшие элементы изображения). Слой диэлектрика Прозрачные электроды Стеклянная поверхность Слой диэлектрика Адресные электроды Субпиксель Стеклянная поверхность Подробнее http: //ru. wikipedia. org/wiki/Плазменный_монитор Фосфор

ПРЕИМУЩЕСТВА плазменных панелей: 1. Бóльшая поверхность излучения. 2. Высокий уровень контрастности и глубины цветов, особенно по черному. 3. Богатство оттенков и хорошая цветонасыщенность. 4. Более натуральная передача движений. НЕДОСТАТКИ плазменных панелей: 1. Экран может выгорать как следствие высокой рабочей температуры. 2. Генерируется большее количество тепла. 3. Видна пикселизация – сегменты, зерно. Особенно - при отклонении угла обзора по вертикали. 4. Средний ресурс составляет 30 000 часов, то есть 9 лет, исходя из 8 часов просмотра в день. Подробнее http: //ru. wikipedia. org/wiki/Плазменный_монитор

Подробнее http: //www. thg. ru/display/20050311/print. html

Средства документирования графической информации… Различают: Принтеры (от А 4 и менее): Широкоформатные принтеры (А 2, А 3) Матричный принтер Термический принтер Графопостроители или плоттеры (до А 0): Планшетные графопостроители Лазерный принтер Графопостроители с перемещающимся носителем Струйный принтер Электростатические графопостроители Слайд-принтер Фотографопостроители Какая разница между плоттером и принтером?

Графопострои тель (от греч. γράφω — пишу, рисую), пло ттер1) • устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A 0 или кальке. • Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока). 1) Материал из Википедии

• Подробнее устройства ввода-вывода информации см. в презентации «Графика»