Описание основных понятий компьютерной графики для студентов Гуманитарного факультета

Для экранной копии  достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки  на  цветном или  лазерном  принтере  150–200  dpi,  для вывода   на   фотоэкспонирующем устройстве  200–300  dpi. 

Установлено   эмпирическое  правило,  что  при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше,  чем линиатура растра устройства вывода.  В случае, если  твердая  копия  будет увеличена по сравнению  с  оригиналом,  эти  величины  следует  умножить  на коэффициент масштабирования.

Замечание.

Разрешающая способность монитора. Больше всего путаница в использовании термина разрешающая способность наблюдается в этой области. Дело в том, что у монитора есть не мало характеристик, которые можно рассмотреть, как его разрешающую способность. Физическая разрешающая способность монитора определяется максимальным количеством отдельных точек, которые он может генерировать. Она измеряется числом точек в одной горизонтальной строке и числом горизонтальных строк по вертикали.

Физическая разрешающая способность  у разных мониторов не одинаковая и зависит от их размеров и качества. Другая характеристика монитора, которая  ошибочно называется разрешающей способностью, это шаг точки, то есть расстояние между отдельными точками, измеряется в миллиметрах. Шаг точки монитора влияет на его резкость и соответственно на резкость изображения рисунков.

Разрешающая способность не определяется монитором вообще, она определяется видео картой и программным обеспечением, работающим с этим устройством.

Разрешение  печатного  изображения  и  понятие   линиатуры.   Размер   точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так  и на  экране  зависит  от  примененного  метода  и  параметров   растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается  сетка  линий, ячейки которой образуют элемент  растра.  Частота  сетки  растра  измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.

Размер точки  растра  рассчитывается  для  каждого  элемента  и  зависит  от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше  интенсивность,  тем  плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра  совпадет  с  размером  элемента  растра.  В  этом случае говорят о 100% заполняемости. Для  абсолютно  белого  цвета  значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента  на  отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки  растра  имеют  одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся  к  абсолютно  черному  цвету.

Иллюзия более  темного тона создается за счет увеличения  размеров  точек  и, как  следствие,  сокращения  пробельного  поля  между  ними  при  одинаковом расстоянии  между  центрами   элементов   растра.   Такой   метод   называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).

Интенсивность тона (так называемую светлоту)  принято подразделять  на  256 уровней.  Большее  число  градаций  не  воспринимается  зрением  человека  и является  избыточным.  Меньшее   число   ухудшает   восприятие   изображения (минимально допустимым  для качественной  полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно  подсчитать,  что  для  воспроизведения  256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.

При выводе копии изображения  на принтере  или  полиграфическом  оборудовании  линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым  качеством, возможностями аппаратуры и параметрами  печатных  материалов.  Для  лазерных принтеров рекомендуемая  линиатура  составляет  65-100  Ipi,  для  газетного производства  –  65-85  lpi,  для  книжно-журнального  –  85-133  lpi,   для художественных и рекламных работ – 133-300 lpi.

При  печати  изображений  с  наложением  растров  друг  на  друга,  например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный  угол. Традиционными для цветной печати считаются углы поворота: 105  градусов  для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой  и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра  становится  косоугольной,  и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже  недостаточно разрешения  16х150=2400  dpi.  Поэтому   для   фотоэкспонирующих   устройств профессионального класса принято  минимальное  стандартное  разрешение  2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных  углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку  на  угол  поворота растра, для цветных изображений составляет 1,06.

Динамический  диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это  оптическая  плотность,  численно равная десятичному логарифму  величины,  обратной  коэффициенту  пропускания [pic](для оригиналов, рассматриваемых “на просвет”,  например  слайдов)  или коэффициенту  отражения    [pic](для    прочих    оригиналов,     например полиграфических отпечатков).

Для оптических  сред,  пропускающих  свет,  динамический  диапазон  лежит в пределах  от  0  до  4.  Для   поверхностей,   отражающих   свет,   значение динамического  диапазона  составляет  от  0  до  2.  Чем  выше  динамический диапазон, тем большее число полутонов присутствует  в изображении и тем лучше качество его восприятия.

Связь между параметрами  изображения и размером файла.  Средствами  растровой графики  принято  иллюстрировать  работы,  требующие  высокой   точности   в передаче цветов и полутонов. Однако  размеры  файлов  растровых  иллюстраций стремительно растут с увеличением  разрешения.  Фотоснимок,  предназначенный для  домашнего  промотра  (стандартный  размер  10х15  см,  оцифрованный   с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита),  занимает  в формате TIFF с включенным режимом сжатия  около 4  Мбайт.  Оцифрованный  с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт.  Цветоделенное  цветное  изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.

Масштабирование  растровых  изображений.  Одним из  недостатков   растровой графики является так называемая пикселизация изображений при  их  увеличении (если  не  приняты специальные меры).   Раз   в   оригинале   присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе  увеличивается  и  их размер, становятся заметны элементы растра, что  искажает  саму  иллюстрацию (рис.4).  Для противодействия пикселизации  принято заранее оцифровывать оригинал  с  разрешением,  достаточным  для  качественной  визуализации  при масштабировании. Другой прием состоит в применении  стохастического  растра, позволяющего  уменьшить  эффект  пикселизации   в   определенных   пределах. Наконец,  при   масштабировании   используют   метод   интерполяции,   когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования  точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек.

Достоинства растровой графики

Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир состоит  из миллиардов мельчайших объектов и  человеческий глаз как раз приспособлен для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На своем высшем уровне качества - изображение выглядят вполне реально подобно тому, как выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий. Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества. Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для представления отдельных пикселов с помощью точек.

Недостатки  растровой графики

Как уже говорилось, растровые изображения занимают большое количество памяти. Существует так же проблема редактирования растровых изображений, так как большие растровые изображения занимают значительные массивы памяти, то для обеспечения работы функций редактирования таких изображений потребляются так же значительные массивы памяти и другие ресурсы компьютера.

Векторная графика

В отличие от растровой графики  в векторной графике изображение  строится с помощью математических описаний объектов, окружностей и  линий. Хотя на первый взгляд это может показаться сложнее, чем использование растровых массивов, но для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

Ключевым моментом векторной графики  является то, что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов. Такая особенность векторной графики дает ей ряд преимуществ перед растровой графикой, но в тоже время является причиной ее недостатков. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.

Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы и тому подобное называется примитивами, и используются при  создании более сложных объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различных объектов. Для создания объектов примитивов используются простые описания. Прямая линия, дуги, окружности, эллипсы и области однотонного или изменяющегося света - это двухмерные рисунки, используемые для создания детализированных изображений. В трехмерной компьютерной графике для создания сложных рисунков могут использоваться такие элементы как сферы, кубы. Команды, описывающие векторные объекты большинству пользователей возможно никогда не придется увидеть. Определять, как описывать объекты будет компьютерная программа, которая используется для подготовки векторных объектов. Для создания векторных рисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационных пакетов.

Достоинство векторной графики  в том, что описание является простым  и занимает мало памяти компьютера. Однако недостатком является то, что  детальный векторный объект может  оказаться слишком сложным, он может  напечататься не в том виде, в  каком ожидает пользователь или не напечатается вообще, если принтер неправильно интерпретирует или не понимает векторные команды.

Программы векторной графики способны создавать растровые изображения  в качестве одного из типов объектов. Это возможно потому, что растровый рисунок просто набор инструкций для компьютера, и так как инструкции эти очень просты, то векторная графика способна воспринимать растровые изображения наравне с остальными объектами, хотя можно поместить растровые изображения в виде объекта векторном формате, но не удается отредактировать и изменить в нем отдельные пикселы.

Линия – элементарный объект векторной графики. Как  и  любой  объект,  линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом,  начертанием (сплошная, пунктирная). Линия  описывается  математически  как  единый объект, и потому объем данных для отображения объекта  средствами  векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике.

Замкнутые линии  приобретают  свойство заполнения. Охватываемое  ими  пространство  может  быть  заполнено  другими   объектами (текстуры,  карты)  или выбранным цветом.  Простейшая  незамкнутая   линия ограничена двумя точками, именуемыми  узлами.  Узлы  также  имеют  свойства, параметры которых влияют на  форму  конца  линии  и характер  сопряжения  с другими объектами. Все прочие  объекты  векторной  графики  составляются  из линий. Например, куб можно составить  из  шести  связанных  прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован  четырьмя  связанными  линиями. Возможно, представить куб  и  как  двенадцать  связанных  линий,  образующих ребра.

Математические  основы векторной графики

Рассмотрим  подробнее способы представления  различных  объектов  в  векторной   графике.

Точка. Этот объект  на  плоскости  представляется  двумя  числами  (х,  у), указывающими его положение относительно начала координат.

Объекты векторной графики

Прямая  линия. Ей соответствует уравнение y=kx+b. Указав  параметры k  и b, всегда  можно  отобразить  бесконечную  прямую  линию  в известной системе координат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров.

Отрезок прямой. Он  отличается  тем,  что требует для описания  еще двух параметров – например, координат x1 и х2 начала и конца отрезка.

Кривая  второго  порядка.  К  этому  классу   кривых   относятся   параболы, гиперболы,  эллипсы,  окружности,  то  есть  все  линии,  уравнения  которых содержат степени не выше второй.  Кривая  второго  порядка  не  имеет  точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным  случаем  кривых  второго порядка. Формула кривой  второго  порядка  в  общем  виде  может  выглядеть, например, так:

x2+a1y2+a2xy+a3x+a4y+a5=0.

Таким образом, для описания бесконечной кривой  второго  порядка  достаточно пяти параметров. Если требуется построить отрезок  кривой,  понадобятся  еще два параметра.

Кривая  третьего порядка. Отличие этих  кривых  от  кривых  второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Например, график функции у =  x3

имеет точку  перегиба в начале координат . Именно эта  особенность позволяет сделать кривые  третьего  порядка  основой  отображения  природных объектов в векторной графике.  Например,  линии  изгиба  человеческого  тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второго порядка,  как  и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.