Описание основных понятий компьютерной графики для студентов Гуманитарного факультета

Важно отметить, что мозг не только умеет работать с двумя способами  представления информации, причем с  образами он работает иначе и эффективнее чем ЭВМ, но и умеет соотносить эти два способа и совершать (каким-то образом) переходы от одного представления к другому.

В этом контексте основная проблема и задача когнитивной компьютерной графики - создание таких моделей  представления знаний, в которых можно было бы однообразно представлять как объекты, характерные для логического (символического, алгебраического) мышления, так и объекты, характерные для образного мышления.

Другие важнейшие задачи:

• визуализация тех знаний, для которых не существует (пока ?) символических описаний,
• поиск путей перехода от образа к формулировке гипотезы о механизмах и процессах, представленных этими (динамическими) образами на экране дисплея.

Появление когнитивной компьютерной графики - сигнал о переходе от эры экстенсивного развития естественного интеллекта к эре интенсивного развития, характеризующегося глубоко проникающей компьютеризацией, рождающей человеко-машинную технологию познания, важным моментом которой является непосредственное, целенаправленное, активирующее воздействие на подсознательные интуитивные механизмы образного мышления.

Одним из ярких и наиболее ранних примеров приложения когнитивной компьютерной графики является работа Ч. Страуса "Неожиданное применение ЭВМ в чистой математике" (ТИИЭР, т. 62, N 4, 1974, с. 96 - 99). В ней показано как для анализа сложных алгебраических кривых используется "n-мерная" доска на основе графического терминала. Пользуясь устройствами ввода математик может легко получать геометрические изображения результатов направленного изменения параметров исследуемой зависимости. Он может также легко управлять текущими значениями параметров, "углубляя тем самым свое понимание роли вариаций этих параметров". В результате получено "несколько новых теорем и определены направления дальнейших исследований".

Иллюстративное - это направление можно понимать, расширенно, начиная с представления результатов эксперимента, и кончая созданием рекламных роликов; стремительно развивающаяся компьютерная графика должна обслуживать свои потребности, расширяя и совершенствуя их; исследования, в которых инструментарий компьютерной графики начинает играть роль во многом подобную той, которую в свое время сыграл микроскоп.

Вывод изображения на экран компьютера является неотъемлемым, но всего лишь первым шагом на пути становления машинной графики. Довольно стремительно пройдя иллюстративный отрезок пути своего развития, компьютерная графика сосредоточилась как бы на двух генеральных направлениях: придание изображению необходимой динамики и придание изображению необходимой реалистичности. Достижения компьютерной графики мы видим на экранах телевизоров, на рекламных заставках. Реклама в этом случае выступает как мощный стимул к развитию все более совершенного графического инструментария. Он существует в виде разнообразных графических пакетов, начиная от простеньких графических редакторов и заканчивая специальным программным обеспечением.

Развитие компьютерной графики  создало новый изобразительный  инструментарий, привлекающий внимание дизайнеров и архитекторов

Компьютерный дизайн — чрезвычайно объемная сфера практического дизайна, включающая в текущий исторический период следующие области:

• собственно графику;
• полиграфический дизайн;
• электронные издания;
• Web-дизайн;
• трехмерную графику.

Если разделить эту сферу на творческий компонент и на все остальное, то в первую часть, которую можно условно определить как собственно дизайн, войдут концепция и композиция (в данной книге они не обсуждаются), а во вторую, которую можно также условно определить как DeskTop Publishing (Настольная издательская система), или сокращенно DTP (НИС), попадают все технические и программные аспекты.

В русском варианте, который хотя и звучит более прозаически, чем  английский аналог ("издательство на крышке стола"), тем не менее, точнее отражена суть. И ключевое слово здесь — система, поскольку только системный подход гарантирует успешное и рациональное решение многих проблем.

Можно выделить, как минимум, три  основных уровня (рис. 1.1), наличие и  соответствие которых друг другу  обеспечивает надежное функционирование этой системы.

Рис. 1.1. Уровни настольной издательской системы

• Аппаратный уровень (hardware level) представляет собой совокупность материальных элементов — устройств, с помощью которых происходят ввод, обработка, хранение, передача и вывод информации.
• Программный уровень (software level) — это совокупность информационных элементов (программ и их команд), с помощью которых происходит управление как собственно текстовой и изобразительной информацией, так и аппаратным оборудованием.
• Пользовательский уровень ("brainware" level) представляет собой совокупность творческих индивидуумов, высококлассных специалистов и обычных пользователей, которые интегрируют свой творческий потенциал, а также аппаратный и программный уровни для создания творческих произведений.

Машина должна работать, человек  — думать.

Принцип IBM

Аппаратный уровень, в свою очередь, состоит из следующих компонентов (рис. 1.2):

• устройства ввода информации (input devices), которые обеспечивают преобразование любых видов информации на самых разнообразных носителях в цифровую форму, что создает условия для ее дальнейшей компьютерной обработки;

Рис. 1.2. Компоненты аппаратного уровня НИС

• устройства обработки, хранения и передачи информации (process, storage and transfer devices), являющиеся ядром аппаратного уровня;
• устройства вывода информации (output devices), которые обеспечивают "возврат" цифровой информации в форму, понятную и доступную человеку

Виды  компьютерной графики

В зависимости  от  способа  формирования  изображений  компьютерную  графику принято подразделять на  растровую, векторную и фрактальную.

Отдельным предметом считается  трехмерная (3D) графика,  изучающая  приемы  и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве.  Как правило,  в  ней  сочетаются  векторный  и  растровый  способы  формирования изображений.

Фрактальная графика

Фрактальная  графика  основана  на   математических   вычислениях.   Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то  есть никаких объектов в памяти компьютера  не  хранится  и  изображение  строится исключительно  по  уравнениям.  Таким   способом   строят   как   простейшие регулярные структуры,  так  и  сложные  иллюстрации,  имитирующие  природные ландшафты и трехмерные объекты.

Растровая графика

Компьютерная индустрия породила сотни новых и необычных терминов, пытаясь объяснить, что такое компьютер и как он работает. Термин растровая графика достаточно очевиден, если усвоить понятия, относящиеся к растровым изображениям.

Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором  любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение. В цифровом мире компьютерных изображений термином пиксел обозначают несколько разных понятий. Это может быть отдельная точка экрана компьютера, отдельная точка напечатанная на лазерном принтере или отдельный элемент растрового изображения. Эти понятия не одно и тоже, поэтому чтобы избежать путаницы следует называть их следующим образом: видео пиксел при ссылке на изображение экрана компьютера; точка при ссылке на отдельную точку, создаваемую лазерным принтером.

Существует коэффициент прямоугольности изображения, который введен специально для изображения количества пикселов матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали. Возвращаясь к аналогии с листом бумаги можно заметить, что любой растровый рисунок имеет определенное количество пикселов в горизонтальных и вертикальных рядах. Существуют следующие коэффициенты прямоугольности для экранов: 320х200, 320х240, 600х400, 640х480, 800х600 и др. Этот коэффициент часто называют размером изображения. Произведение этих двух чисел дает общее количество пикселов изображения. Существует также такое понятие как коэффициент прямоугольности пикселов. В отличие от коэффициента прямоугольности изображения он относится к реальным размерам видео пиксела и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтому на разных компьютерных системах принимает различные значения.

Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем  больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно  получить. Число битов, используемых компьютером для любого пиксела, называется битовой глубиной пиксела. Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселов имеющих только два возможных цвета черный и белый, и поэтому изображения, состоящие из пикселов этого вида, называются однобитовыми изображениями. Число доступных цветов или градаций серого цвета равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

Растровые изображения  обладают множеством характеристик, которые должны быть организованы и фиксированы компьютером. Размеры изображения и расположение пикселов в нем это две основных характеристики, которые файл растровых изображений должен сохранить, чтобы создать картинку. Даже если испорчена информация о цвете любого пиксела и любых других характеристиках компьютер все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет знать, как расположены все его пикселы. Пиксел сам по себе не обладает никаким размером, он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете, поэтому коэффициент прямоугольности изображения не соответствует никакой реальной размерности. Зная только коэффициент прямоугольности изображения с некоторой разрешающей способностью можно определить настоящие размеры рисунка. Поскольку размеры изображения хранятся отдельно, пикселы запоминаются один за другим, как обычный блок данных. Компьютеру не приходится сохранять отдельные позиции, он всего лишь создает сетку по размерам заданным коэффициентом прямоугольности изображения, а затем заполняет ее пиксел за пикселом. Это самый простой способ хранения данного растрового изображения, но не самый эффективный с точки зрения использования компьютерного времени и памяти. Более эффективный способ состоит в том, чтобы сохранить только количество черных и белых пикселов в любой строке. Этот метод сжимает данные, которые используют растровые изображения. В этом случае они занимают меньше памяти компьютера

Разрешающая способность растра

Поскольку пикселы не имеют своих  собственных размеров, они приобретают их только при выводе на некоторые виды устройств, такие как монитор или принтер. Для того чтобы помнить действительные размеры растрового рисунка, файлы растровой графики иногда хранят разрешающую способность растра. Разрешающая способность это просто число элементов заданной области. Когда мы говорим о растровой графике, то минимальным элементом обычно является пиксел, а заданной областью дюйм. Поэтому разрешающую способность файлов растровой графики принято задавать в пикселах на дюйм. Файлы растровой графики занимают большое количество памяти компьютера. Некоторые картинки занимают большой объем памяти из-за большого количества пикселов, любой из которых занимает некоторую часть памяти. Наибольшее влияние на количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:

1. Размер изображения;
2. Битовая глубина цвета;
3. Формат файла, используемого для хранения изображения.

Существует прямая зависимость  размера файла растрового изображения. Чем больше в изображении  пикселов, тем больше размер файла. Разрешающая способность изображения на величину файла никак не влияет. Разрешающая способность оказывает эффект на размер файла только при сканировании или редактировании изображений. Связь между битовой глубиной и размером файла непосредственная. Чем больше битов используется в пикселе, тем больше будет файл. Размер файла растровой графики сильно зависит от формата выбранного для хранения изображения. При прочих равных условиях, таких как размеры изображения и битовая глубина существенное значение имеет схема сжатия изображения. Например, BMP файл имеет, как правило, большие размеры, по сравнению с файлами PCX и GIF, которые в свою очередь больше JPEG файла.

Многие файлы  изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут содержать дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного просмотра.

Для  растровых  изображений, состоящих  из  точек,  особую  важность  имеет понятие разрешения, выражающее количество  точек,  приходящихся  на  единицу длины. При этом следует различать:

• разрешение оригинала;
• разрешение экранного изображения;
• разрешение печатного изображения.

Разрешение оригинала. Разрешение  оригинала измеряется  в точках  на  дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от  требований  к качеству  изображения и размеру  файла,  способу  оцифровки   и   создания   исходной   иллюстрации, избранному формату файла и  другим  параметрам.  В  общем  случае  действует правило: чем выше требование к качеству, тем  выше  должно  быть  разрешение оригинала.

Разрешение  экранного   изображения.    Для   экранных   копий   изображения элементарную  точку  растра  принято  называть  пикселом.   Размер   пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения  (из  диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения.

Мониторы   для   обработки изображений  с  диагональю  20–21  дюйм (профессионального класса), как правило, обеспечивают  стандартные экранные разрешения   640х480,    800х600,    1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора  у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм.