Содержание
Введение
Учебные вопросы:
1. Понятие и виды компьютерной графики.
2. Программное обеспечение компьютерной графики. Форматы графических данных.
3. Графическое моделирование для решения практических задач.
Заключение
Введение
Компьютерная графика - это область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере. Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры.
В профессиональной деятельности сотрудника ОВД также требуется использование построенных с помощью компьютера схем, графиков, диаграмм, предназначенных для наглядного отображения разнообразной информации.
Цель настоящей лекции - раскрыть понятие компьютерной графики, назначение, состав и возможности программ подготовки графических документов на ПЭВМ.
Понятие и виды компьютерной графики.
Графика – это способ изготовления рисунков с помощью отрезков прямых линий. Компьютерная графика (КГ) – это способ получения изображения на компьютере. Изначально на компьютере рисунки изготавливались тоже с помощью отрезков (отсюда и соответствующее название). В настоящее время на компьютере для получения изображений используются не только отрезки, но и много других средств, однако название осталось прежним.
По области применения КГ различают следующие виды:
· научная графика, позволяющая представлять результаты расчетов в наглядном виде, например, графиков;
· деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц;
· конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения;
· иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами;
· художественная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики;
· компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.
По способу формирования изображения, его кодирования в настоящее время принято различать следующие виды КГ: растровый, векторный, фрактальный и 3D графика (первые два являются основными).
Растровая графика.
Известно, что любая информация, хранящаяся в файле - это последовательность байт. Каждый байт может принимать значение от 0 до 255 (28-1). Способ записи информации с помощью последовательности байт и называют форматом файла. То есть, графический формат - это способ записи графической информации.
Способ представления изображения оказывает влияние на возможности его редактирования, печати, на объем занимаемой памяти.
 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 1024x768.
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. Нетрудно сообразить, что 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).
Далее, если для кодировки отвести четыре бита, то можно закодировать 24=16 различных цветов, отвечающих комбинациям бит от 0000 до 1111. Если отвести 8 бит - то такой рисунок может содержать 28=256 различных цветов (от 00000000 до 11111111), 16 бит - 216=65 536 различных цветов (так называемый High Color). И, наконец, 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. Следует обратить внимание на слово "потенциально": даже если в файле и отводится 24 бита на каждый пиксель, это еще не означает, что вы действительно сможете насладиться такой богатой палитрой - ведь технические возможности мониторов ограничены.
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), который хорошо представляется двумя 16-ричными цифрами (числом от 00 до FF). Таким образом, цвет удобно записывать тремя парами 16-ричных цифр, как это принято, например, в HTML-документах.
Пример.
В языке гипертекстовой разметки документов HTML цвета можно задавать так: черный - 000000, белый - FFFFFF, желтый - FFFF00 и т. д.; чтобы получить более темный желтый цвет, надо одинаково уменьшить интенсивности красного и зеленого - A7A700.
Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет. При наложении одной составляющей на другую яркость суммарного цвета также увеличивается.
Цветовая модель CMYK
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.
Итак, 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.
В отличие от векторных изображений, при создании объектов растровой графики математические формулы не используются, поэтому для синтеза растровых изображений необходимо задавать разрешение и размеры изображения.
С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости.
Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования фотографий и других изображений, с помощью цифровой фотокамеры или путем "захвата" кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений.
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 TryeType и PostScript.
У векторной графики много достоинств. Она экономна в плане дискового пространства, необходимого для хранения изображений: это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, используя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых характеристик почти не увеличивает размер файла.
Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображения. Масштабирование, поворот, искривление могут быть сведены к паре-тройке элементарных преобразований над векторами.
| В тех областях графики, где важное значение имеет сохранение ясных и четких контуров, например, в шрифтовых композициях, в создании логотипов и прочее, векторные программы незаменимы. | 
|
Векторная графика может включать в себя и фрагменты растровой графики: фрагмент становится таким же объектом, как и все остальные (правда, со значительными ограничениями в обработке).
Важным преимуществом программ векторной графики является развитые средства интеграции изображений и текста, единый подход к ним. Поэтому программы векторной графики незаменимы в области дизайна, технического рисования, для чертежно-графических и оформительских работ.
Однако, с другой стороны, векторная графика может показаться чрезмерно жесткой, «фанерной». Она действительно ограничена в чисто живописных средствах: в программах векторной графики практически невозможно создавать фотореалистические изображения.
А кроме того, векторный принцип описания изображения не позволяет автоматизировать ввод графической информации, как это делает сканер для точечной графики.
Обладая изощренными методами отрисовки (метод трассировки лучей, метод излучательности), эти программы позволяют создавать фотореалистичные растровые изображения с произвольным разрешением из векторных объектов при умеренных затратах сил и времени.
Трехмерная компьютерная графика
| В последнее время все большее распространение получают программы 3-мерного моделирования, также имеющие векторную природу. |
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.
Например, ящик может быть представлен в виде двухмерного изображения (рис. 3), либо в виде трехмерного изображения (рис. 4).
Естественно более наглядное представление дает изображение на рис. 4. Аналогично построение графиков и диаграмм в трех измерениях позволяет отображать на экране дополнительную информацию.
В трехмерной графике уровни напряжения, подведенные к дисплею для формирования на экране заданного рисунка и его раскраски, 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,VиD
где H - горизонтальное перемещение точки, V - вертикальное перемещение точки, D - перемещение в глубину.
Положения точки (XT, YT, ZT) после перемещения из начального положения (X, Y, Z) вычисляются по уравнениям:
XT=X+H, YT=Y+V, ZT=Z+D
Изображение предмета можно повернуть в плоскости X, Y на угол А относительно выбранной точки (ХО, YO) в положение (XR,YR) с помощью преобразования координат X и Y всех точек по формулам:
XR=XO+(X-XO)*COS(A)+(Y-YO)*SIN(A)
YR=YO+(Y-YO)*eOS(A)-(X-XO)*SIN(A)
Для изображений трехмерных предметов эти преобразования можно представить, как вращение относительно оси, проходящей через точку ХО, YO относительно оси Z в трехмерном изображении.
При этом все точки изображения предмета вращаются относительно этой оси. Программы, выполняющие различные преобразования объединяются в одну универсальную программу, организованную таким образом, что указанное изображение сначала высвечивается, а затем преобразуется с помощью произвольной комбинации операций перемещения, масштабирования (увеличения или уменьшения размера) или вращения. При этом можно воспользоваться диалоговыми средствами выбора требуемой операции преобразования и завершения работы программы, а также использовать подпрограммы анализа изображений для высвечивания на экране только видимых поверхностей предмета после выполнения операции вращения или перспективного преобразования.
В любом случае, если вы работаете с графикой, то неизбежно будете иметь дело с обеими ее формами - векторной и растровой. Понимание их сильных и слабых сторон позволит вам выполнить свою работу максимально эффективно.
| 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.
Последняя из рассматриваемых видов компьютерной графики - это фрактальная графика. Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся перспективных видов компьютерной графики.
Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников.
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.
Фракталомназывается 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.
В центре фрактальной графики находится её простейший элемент — равносторонний треугольник, который получил название «фрактальный». Затем, на среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной, равной (1/3a) от стороны исходного фрактального треугольника. В свою очередь, на средних отрезках сторон полученных треугольников, являющихся объектами-наследниками первого поколения, выстраиваются треугольники-наследники второго поколения со стороной (1/9а) от стороны исходного треугольника:
Таким образом, мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры». Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Таким образом, можно описать и такой графический элемент, как прямую.
Изменяя и комбинируя окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию».
Фрактальная графика, также как векторная и трёхмерная, является вычисляемой. Её главное отличие в том, что изображение строится по уравнению или системе уравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений, ничего кроме формулы хранить не требуется.
Только изменив коэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое изображение. Эта идея нашла использование в компьютерной графике благодаря компактности математического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности очень сложной формы.
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. С чем можно сравнить фрактальное изображение? Ну, например, со сложной структурой кристалла, со снежинкой, элементы которой выстраивается в одну сложную структуру. Это свойство фрактального объекта может быть удачно использовано при составлении декоративной композиции или для создания орнамента. Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала, позволяющего воспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному оригиналу.
С точки зрения машинной графики 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.
Создатель фракталов — это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса, варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то есть творите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических редакторов (и в частности — Painter) от прочих графических программ.
Например, в Adobe Photoshop изображение, как правило, «с нуля» не создается, а только обрабатывается. Другой самобытной особенностью фрактального графического редактора Painter (как и прочих фрактальных программ, например Art Dabbler) является то, что реальный художник, работающий без компьютера, никогда не достигнет с помощью кисти, карандаша и пера тех возможностей, которые заложены в Painter программистами.