1 Общие сведения о компьютерной графике Общие сведения о компьютерной графике Интерактивная лекция (Подготовил Штулберг Р.)

2 Введение Что такое компьютерная графика? Под этим термином обычно понимается визуальное, то есть, воспринимаемое зрением, представление каких-либо реальных или воображаемых объектов. Пишет ли художник пейзаж, чертит ли конструктор чертеж, рисует ли малыш на асфальте – все это процессы создания графики. Особое место в работе с изображениями занимает компьютерная графика. Компьютерная графика – это графика, которая обрабатывается и отображается посредством вычислительной техники. Для отображения графики используются монитор, принтер, плоттер и др. Для любой графики можно выделить процессы ее создания и визуализации. В случае традиционной графики (декоративной росписи, эскизов, чертежей и проч.) эти процессы совпадают во времени. Действительно, художник в процессе создания сразу же видит результат своего труда. Иная ситуация в компьютерной графике. Изображения после своего создания могут храниться неопределенное время в виде файлов на носителях. Визуализация наступает, когда данные файлов поступают на устройства вывода: монитор или принтер.

3 К тому же, бывают случаи, когда компьютерный художник просто не сможет увидеть результат своего труда до того, как написана программа. Это касается случаев написания графики посредством языков визуализации или программ, относящихся к семейству Basic. Ниже представлен пример написания простейшей программы на языке Basic и результат ее работы на экране. Здесь художник не может сразу оценить продукт своего труда до самого завершения написания программы и лишь после того, как она будет написана, запустить ее специальной командой. Фрагмент листинга программы: 10 rem: снежная баба 20 screen2 30 circle(200,85),27,15 40 circle(200,150),37,15 50 circle(200,40),18,15 60 circle(200,68),10,15 70 circle(168,68),10,15 80 circle(232,68),2,15 90 circle(206,35),2, circle(200,105),2,15 Результат работы программы на экране

4 Работа с компьютерной графикой – одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем, занимаются этой работой не только профессиональные художники и программисты-дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость подготовки рекламных бюллетеней, проспектов, буклетов или листовок. Крупные фирмы обращаются к специальным дизайнерским агентствам, малые предприятия, имеющие ограниченный бюджет, обходятся собственными силами и доступными программными средствами. Без компьютерной графики сегодня не обходится ни одна современная мультимедийная программа. Работа над графикой занимает до 90% рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения. Основные трудозатраты в работе редакций и издательств тоже занимает художественная и оформительская работа с графическими программами.

5 Итак, вы уже знаете, что с помощью числа можно кодировать не только символ, но и цвет одной точки. На это необходимо задать 2-3 байта, в зависимости от того, сколько цветов мы хотим передать. А как закодировать целый рисунок? Решение приходит самом собой – надо рисунок разбить на точки. Чем больше будет точек, чем мельче они будут, тем точнее будет рисунок. А, когда рисунок разбит на точки, то можно начать с его левого верхнего угла и, двигаясь по точкам слева направо, кодировать каждый цвет точки. Взгляните на рисунок. Он черно-белый (но принцип работы с цветными иллюстрациями будет точно такой же), поэтому достаточно и одного байта на кодирование каждой точки. Код 0 обозначает черную точку, код 255 – белую. Коды обозначают серые точки. Чем выше значение кода, тем светлее будет точка. Кодирование графической информации

6 Когда все точки рисунка закодированы, получается следующая последовательность байтов: 176, 176, 176, 128, 64, 61, 64, 80, 64, 80, 80, 80, 80, 234…

7 Пример кодирования фрагмента черно-белого полутонового изображения. Рисунок имеет 256 оттенков (градаций) серого цвета. На кодирование каждой точки расходуется 1 байт (8 бит)

8 Закодировать рисунок оказалось несложно. А вот как его раскодировать, чтобы все стало так, как было? Если раскодировать байты по одному слева направо, то никогда не узнаешь, где кончается одна строка и начинается другая. Это говорит о том, что чего-то не хватает. Если бы перед группой байтов приписать еще небольшой заголовок, из которого было бы ясно, как надо эти байты раскодировать, то все бы стало на свои места. Этот заголовок может быть, например, таким: {8x8}. По нему нужно догадаться, что рисунок должен состоять из восьми строк по восемь точек в каждой строке. Заголовок можно сделать и более подробным. Например, так: {8x8x3} – тогда можно догадаться, что этот рисунок цветной, в котором на кодирование цвета каждой точки использовано три байта.

9 Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программ, различают только три ее вида. Это растровая, векторная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этих целей сканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, работающих с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку, сборку. В Интернете пока применяются только растровые иллюстрации. Программные средства для работы с векторной графикой предназначены, наоборот, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используются в рекламных и издательских агентствах, дизайнерских студиях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов, простейших графических и геометрических элементов, решаются намного проще средствами векторной графики. Виды компьютерной графики

10 Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданных средствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, поскольку художественная подготовка иллюстраций средствами этой графики чрезвычайно сложна. Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической регенерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику редко применяют для создания печатной продукции или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах.

11 Пример растровой графики

12 Пример векторной графики Пример фрактальной графики

13 Напомним, что для воссоздания изображений на устройстве вывода изображение разбивается на точки – пиксели. Наглядным примером этого является формирование изображения на экране монитора. Пиксели упорядочены по строкам, а набор строк в электронно-лучевой трубке образует растр. По аналогии с формированием изображения в электронно-лучевой трубке любое изображение, построенное на основе растра, называется растровым изображением. Оно представляет собой набор пикселов, то есть цветных или серых точек, расположенных на правильной сетке – матрице. Например, вы можете расчертить лист бумаги на правильные клетки и заполнить каждую клеточку однородным цветом, который лучше всего подходит для данной области рисунка. В результате вы можете получить подобную картинку. Растровые изображения

14 Важной характеристикой растра является его разрешающая способность. То есть, количество пикселов на единицу длины. Значение разрешающей способности обычно записывается в единицах dpi (диоптрия). Разрешающая способность экранного изображения обычно составляет 72 или 96 dpi, оттиска лазерного принтера – 600dpi. Нетрудно также установить, что цветное изображение, имеющее разрешение dpi, размером 10 х 15 см будет содержать примерно 1000 х 1500 пикселов, то есть, около 1,5 млн точек, а массив данных для такого изображения станет равным свыше 4 Мбайт. Большие объемы данных – это основная проблема при работе с растровыми изображениями. Для активных работ с большими и качественными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (от 128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь высокопроизводительные процессоры. Поэтому на Западе (в ряде случаев и в России) при работе с компьютерной графикой предпочитают применять компьютеры на платформе Apple Macintosh.

15 Второй недостаток растровых изображений связан с ограниченной возможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее. Никаких дополнительных деталей при этом рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает и делает грубой растровую иллюстрацию. Этот эффект называется пикселизацией.

16 Идея векторного представления графической информации состоит в описании элементов изображения с помощью математических формул. Для этого изображение раскладывается на простейшие объекты – примитивы. Примитивами являются линии, эллипсы, окружности, многоугольники, звезды и так далее. Примитивы создаются на основе ключевых точек, которые определяются в виде набора чисел. Программа воспроизводит изображение путем соединения ключевых точек. Для описания различных геометрических фигур требуются ключевые точки различных типов. На векторные объекты накладываются не только геометрические фигуры и различные рисунки, но и текст. Почему данный тип называется векторным? Известно, что вектором в математике называется отрезок прямой, имеющий не только длину, но и направление. В компьютерной графике термин «вектор» имеет несколько иной смысл. Он обозначает часть линии (сегмент), который задается ключевыми точками. Таким образом, файлы векторных изображений содержат не пиксельные значения, а математическое описание элементов изображения. По этим описаниям и происходит визуализация изображения в устройстве вывода. Векторные изображения

17 В растровой графике, чем длиннее, например, линия, тем больше пикселей она занимает, тем больше, соответственно, требуется байт для кодирования информации об этой линии. В векторной же графике объем памяти, занимаемой линией, не зависит от ее размеров, поскольку она представлена в виде формулы. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии. Векторная графика устраняет два перечисленных выше недостатка растровой. Но, в свою очередь, значительно усложняет создание высокохудожественных композиций. Поэтому на практике ее используют для работ рекламного характера, а также для конструкторских и чертежных работ. Но векторная графика «съедает» гораздо меньше памяти (порядка байт для одного объекта- примитива). Достаточно сложные композиции, насчитывающие тысячи объектов и десятки, а то и сотни тысяч опорных точек и узлов, расходуют лишь десятки и сотни Кбайт. В векторной графике легко решаются вопросы масштабирования. Если толщина одной линии задана 0,15 мм, то как бы мы ни увеличивали или уменьшали рисунок, эта линия все равно будет иметь только такую толщину, поскольку это одно из свойств данного объекта, жестко закрепленное за ним в формуле. Распечатав этот рисунок или чертеж на малом или большом листе бумаги, мы всегда получим линии одной и той же толщины. Это свойство векторной графики широко используется в системах автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных системах архитектурного проектирования.

18 Получив на экране изображение дома, мы можем его увеличить и подробно рассмотреть способ крепления дверной ручки, например, увеличивая и далее этот план, можно подробно рассмотреть модель шурупов, используемых при данном виде крепления, пока шурупы не займут весь экран. Уменьшив же масштаб, можно вновь получить проект дома в целом. Так что сложные объекты векторной графики можно увеличивать для более подробного рассмотрения без потери качества.

19 Фрактальная графика, как и векторная, - вычисляемая, но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициент в уравнении, можно получить совершенно другую картинку. Простейшим фрактальным объектом является фрактальный треугольник. Постройте обычный равносторонний треугольник со стороной а. Разделите каждую из его сторон на три равных отрезка. На среднем отрезке стороны постройте равносторонний треугольник со стороной равной 1/3 стороны исходного треугольника, а на других отрезках постройте равносторонние треугольники со стороной 1/9 а. С полученными треугольниками повторите те же операции. Вскоре вы увидите, что треугольники последующих поколений наследуют свойств своих родительских структур. Так рождается фрактальная структура. Процесс наследования может продолжаться бесконечно. Взяв такой бесконечный фрактальный объект и рассмотрев его в микроскоп, можно найти в нем все новые и новые детали, повторяющие свойства исходной структуры. Фрактальная графика

20 Простейший фрактальный треугольник Мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта

21 Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы. Обычная снежинка при многократном увеличении обнаруживает свои фрактальные свойства. Фрактальные алгоритмы лежат в основе роста кристаллов и растений. Взгляните на ветку папоротника – вы увидите, что каждая дочерняя ветка во многом повторяет свойства ветки более высокого уровня. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используется для автоматической генерации необычных иллюстраций.

22 В компьютерной графике с понятием разрешения обычно происходит много путаницы, поскольку приходится иметь дело сразу с несколькими свойствами разных объектов. Следует четко различать разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и разрешение изображения. Все эти понятия относятся к разным объектам, друг с другом эти разрешения никак не связаны, пока не потребуется узнать, какой физический размер будет иметь картинка на экране монитора, отпечаток на бумаге или файл на жестком диске. Разрешение экрана – это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows или другой ОС). Разрешение экрана измеряется в пикселях и определяет размер изображения при заданном размере изображения, которое может поместиться на экране целиком. Разрешение изображения и его размер

23 Разрешение принтера – это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Оно измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере. Разрешение изображения – это свойство самого изображения. Оно также измеряется в точках на дюйм и задается при помощи обработки изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером. Физический размер изображения может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.

24 Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его длину и ширину задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает. Если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет. Нетрудно просчитать размер изображения из пикселов в единицы длины и наоборот, если известно разрешение изображения. Связь между линейным размером иллюстрации и размером файла при разных разрешениях отпечатка Размер отпечатка 75 dpi150 dpi300 dpi600 dpi 10 х 15 см (фотоснимок) 380 Кбайт 1,5 Мбайт 6 Мбайт 24 Мбайт 25 х 30 см (обложка журнала) 1,9 Мбайт 7,5 Мбайт 30 Мбайт 120 Мбайт 50 х 30 см (разворот журнала) 3,8 Мбайт 15 Мбайт 60 Мбайт 240 Мбайт

25 Для работы с растровой графикой компьютер выбирают, исходя из поставленных задач. Для обычного домашнего занятия цифровой фотографией необходим компьютер, имеющий оперативную память порядка 32 Мбайт и процессор с производительностью от 133 МГц. Для подготовки рекламных иллюстраций необходима машина с оперативной памятью до 128 Мбайт и процессором от 233 МГц и выше. Для подготовки полноцветных журнальных полос нужны специальные компьютеры, которые иногда называют рабочими станциями. Связь между размером иллюстрации (в пикселах) и размером отпечатка (в мм) при разных разрешениях отпечатка Размер иллюстрации 75 dpi150 dpi300 dpi600 dpi 640 х х х 8155 х 4028 х х х х х 5134 х х х х х 5544 х х х х х 7349 х х х х х х 51 На практике высококачественная печать полноцветного изображения обеспечивается при разрешении файла dpi. При печати изображения, занимающего полный экран очень большого монитора, образуется отпечаток размером всего лишь с небольшую фотографию.

26 Размер графического файла сильно зависит от формата, выбранного для хранения изображения. Существует несколько категорий форматов графических файлов. У каждого формата есть свои положительные качества, определяющие целесообразность его использования при работе с теми или иными приложениями. Растровые форматы. Эти форматы используются для хранения растровых изображений. Они больше всего подходят для записи графических данных, полученных от устройств ввода. Наиболее распространенные растровые форматы: BMP (сокращение от Windows Bit Map Picture, это «родной» формат ОС Windows), PCX, TIFF, GIF, JPEG. Для операционной системы Windows наиболее характерным является формат Windows Bitmap. Файлы этого формата имеют расширение.BMP. Данный формат отличается универсальностью и является стандартным для приложений линейки Windows. Характерным недостатком этого формата является большой размер файлов из-за отсутствие сжатия изображения. Форматы графических файлов

27 Для Web-документов, циркулирующих в сети Интернет, очень важен размер файлов, поскольку от него зависит скорость доступа к информации и передачи данных. Поэтому при подготовке Web-страниц используют в основном два вида графических форматов, обеспечивающих наиболее плотное сжатие. Для хранения многоцветных нерегулярных изображений (фотографий) используют формат JPEG, файлы которого имеют расширение.JPG. Этот формат отличается тем, что обеспечивает хранение данных с огромной степенью сжатия, но за счет потери качества информации. Если файл был записан в этом формате, то при распаковке он может отличаться от оригинала, хотя в таких иллюстрациях, как цветная фотография, это мало заметно. Кроме того, в Интернете используют формат GIF. Это самый «плотный» из графических форматов, не имеющих потери информации. Файлы этого формата имеют расширение.GIF. В этом формате хранятся и передаются малоцветные изображения, например, художественные иллюстрации. (Кстати, чем меньше цветов имеет изображение, тем хуже эффект от применения формата JPEG. Самые плохие результаты он показывает при работе с черно-белыми изображениями.) У формата GIF есть весьма интересное свойство, позволяющее создавать необычные эффекты прозрачности фона и анимацию изображения.

28 Особые требования к качеству изображения предъявляются в полиграфии. В этой области применяется специальный формат TIFF. Файлы такого формата имеют расширение.TIF. Они обеспечивают не только неплохую степень сжатия, но и возможность сохранять в отдельном файле дополнительную информацию в невидимых вспомогательных слоях – каналах. В других же перечисленных форматах нельзя создать слой для хранения информации, не относящейся непосредственно к изображению. На фотографиях потеря информации при перезаписи файла из формата BMP в JPEG может быть малозаметной..BMP.JPG

29 Для малоцветных рисованных изображений наиболее эффективно применение формата GIF. Этот формат также позволяет создавать анимированные рисунки.

30 Но иногда потеря качество рисунка при его сильном сжатии и/или изменении размера/разрешения может оказывать сильный негативный эффект. Ниже показаны два «одинаковых» рисунка, полученных из Интернета. Затраты времени (и средств) на прием второго рисунка в десять раз меньше, потому что он содержит меньше информации. Как говорится, почувствуйте разницу!..

31 Эти форматы полезны для хранения линейных элементов (прямых, эллипсов, окружностей, прямоугольников и так далее), текста и чертежей. По математическим описаниям графических объектов происходит визуализация изображений. Примерами наиболее распространенных векторных форматов являются: CDR (формат файлов векторного редактора CorelDraw), DXF (файлы пакета инженерной графики AutoCAD). Векторные форматы

32 Отличие этого формата от предыдущих заключается в том, что он может хранить как растровые, так и векторные данные. Метафайлы обычно используются для переноса изображений между программами и компьютерными платформами (IBM PC и Macintosh). Популярными метафайловыми форматами являются WPG, COM и WMF. Метафайловые форматы

33 А.С, Федоров, А.А. Федорова Информатика. 8-9 классы: поурочные планы – Волгоград: Учитель, С.Симонович, Г.Евсеев, А.Алексеев Общая информатика. Учебное пособие для средней школы. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, С.Симонович, Г.Евсеев, А.Алексеев Специальная информатика. Учебное пособие для средней школы. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, С.Симонович, Г.Евсеев, Практическая информатика. Учебное пособие для средней школы. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, Для выхода нажмите Используемая литература Внимание! Представленные здесь иллюстрации являются интеллектуальной собственностью и предназначены исключительно для образовательных целей. Любое коммерческое использование иллюстраций является нарушением Закона «Об авторских и смежных правах».