Формализация изображений. Векторная графика и растровая графика

Карагандинский  Государственный Медицинский Университет.

 

 

 

 

Кафедра медбиофизики и информатики.

 

 

 

 

 

СРО

Тема: «Формализация изображений. Векторная графика и растровая графика.»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: ст. Гр. 167 ОМ

Баранкулова Д.К

Проверила: ст.преп.

Абдуллина З.Т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Караганда 2013г.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Почти с момента создания ЭВМ появилась и компьютерная графика, которая сейчас считается  неотъемлемой частью мировой технологии. По началу это была лишь векторная  графика - построение изображения с  помощью так называемых "векторов" - функций, которые позволяют вычислить положение точки на экране или бумаге. Например, функция, графиком которой является круг, прямая линия или другие более сложные кривые.

Совокупность таких "векторов" и есть векторное изображения.

С развитием компьютерной техники и технологий появилось множество способов постройки графических объектов. Но для начала, определимся с термином "графический объект". Это либо само графическое изображение или его часть. В зависимости от видов компьютерной графики под этим термином понимаются как и пиксели или спрайты (в растровой графике), так и векторные объекты, такие как круг, квадрат, линия, кривая и т.д. (в векторной графике).

Для дальнейшего рассмотрения проблемы постройки объектов с помощью  векторной графики, необходимо уяснить разницу между двумя основными видами компьютерной графики - растровой и векторной.

 

  1.Формализация изображения

 Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов, явлений (в дальнейшем все это будем называть объектами моделирования) в различных областях. Результаты этих исследований служат

для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизация старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности. В реальном времени оригинал (прототип) может уже не существовать или его нет в действительности. Для моделирования время не помеха. На основании известных фактов методом гипотез и аналогий можно построить модель событий или природных катаклизмов далекого прошлого. Так, к примеру, родились теории вымирания динозавров или гибели Атлантиды. С помощью такого же метода можно заглянуть в будущее. Так, ученые-физики построили теоретическую модель «ядерной зимы», которая начнется на нашей планете в случае атомной войны. Такая модель — предостережение человечеству. Оригинал может иметь много свойств и взаимосвязей. Чтобы глубоко изучить какое-то конкретное, интересующее нас свойство, иногда полезно отказаться от менее существенных, вовсе не учитывая их.

Исследуемый объект либо очень велик (модель Солнечной системы), либо очень мал (модель атома),

Процесс протекает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологические модели)

Исследование объекта может привести к его разрушению (модель самолета)Первым этапом любого исследования является постановка задачи, которая определяется заданной целью. Второй этап - анализ объекта. Результат анализа объекта – выявление его составляющих (элементарных объектов) и определения связей между ними. Третий этап – разработка информационной модели объекта. Построение модели должно быть связано с целью моделирования. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, которые соответствуют цели

Все то, о чем говорилось выше – это формализация, т. е  замена реального объекта или процесса его формальным описанием, т.е. его информационной моделью.

Построив информационную модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его

 

поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул.

2.Векторная графика

Ве́кторная гра́фика — способ представления объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании элементарных геометрических объектов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники. Объекты векторной графики являются графическими изображениями математических функций. Термин используется в противоположность к растровой графике, которая представляет изображение как матрицу фиксированного размера, состоящую из точек (пикселей) со своими геометрическими параметрами. Обзор

 

Для создания изображения векторного формата, отображаемого на растровом устройстве, используются преобразователи, программные или аппаратные (встроенные в видеокарту).

Подавляющее большинство  современных компьютерных видеодисплеев, в силу принципов используемых для  построения изображения, предназначены для отображения информации в растровом формате.

Кроме этого, существует узкий класс устройств, ориентированных  исключительно на отображение векторных  данных. К ним относятся мониторы с векторной развёрткой, графопостроители, а также некоторые типы лазерных проекторов.

Термин «векторная графика» используется в основном в контексте  двухмерной компьютерной графики.

Способ хранения изображения

Рассмотрим, к примеру, такой графический примитив, как  окружность радиуса r. Для её построения необходимо и достаточно следующих исходных данных:

координаты центра окружности;

значение радиуса r;

цвет заполнения (если окружность не прозрачная);

цвет и толщина контура (в случае наличия контура).

Преимущества векторного способа описания графики над  растровой графикой

Размер, занимаемый описательной частью, не зависит от реальной величины объекта, что позволяет, используя минимальное  количество информации, описать сколько  угодно большой объект файлом минимального размера.

В связи с тем, что информация об объекте хранится в описательной форме, можно бесконечно увеличить графический примитив, например, дугу окружности, и она останется гладкой. С другой стороны, е

 

сли кривая представлена в виде ломаной  линии, увеличение покажет, что она  на самом деле не кривая.

Параметры объектов хранятся и могут  быть легко изменены. Также это  означает что перемещение, масштабирование, вращение, заполнение и т. д. не ухудшает качества рисунка. Более того, обычно указывают размеры в аппаратно-независимых  единицах (англ. device-independent unit), которые ведут к наилучшей возможной растеризации на растровых устройствах.

При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может быть задана постоянной величиной, независимо от реального  контура.

Фундаментальные недостатки векторной графики

Не каждый объект может быть легко  изображен в векторном виде —  для подобного оригинальному  изображению может потребоваться  очень большое количество объектов с высокой сложностью, что негативно  влияет на количество памяти, занимаемой изображением, и на время для его отображения (отрисовки).

Перевод векторной графики в  растр достаточно прост. Но обратного  пути, как правило, нет — трассировка  растра, при том что требует  значительных вычислительных мощностей  и времени, не всегда обеспечивает высокое качество векторного рисунка.

Преимущество векторной картинки — масштабируемость — пропадает, когда начинаем иметь дело с особо  малыми разрешениями графики (например, иконки 32×32 или 16×16). Чтобы не было «грязи», картинку под такие разрешения приходится подгонять вручную.

Типичные примитивные объекты

Линии и ломаные линии.

Многоугольники.

Окружности и эллипсы.

Кривые Безье.

Безигоны.

Текст (в компьютерных шрифтах, таких  как TrueType, каждая буква создаётся  из кривых Безье).

Этот список неполон. Есть разные типы кривых (Catmull-Rom сплайны, NURBS и т. д.), которые используются в различных приложениях.

Также возможно рассматривать растровое  изображение как примитивный  объект, ведущий себя как прямоугольник.

 

Векторные операции

 

Векторные графические редакторы, типично, позволяют вращать, перемещать, отражать, растягивать, скашивать, выполнять основные

аффинные преобразования над объектами, изменять z-order и комбинировать примитивы  в более сложные объекты.

Более изощрённые преобразования включают булевы операции на замкнутых фигурах: объединение, дополнение, пересечение и т. д.

Векторная графика идеальна для простых или составных рисунков, которые должны быть аппаратно-независимыми или не нуждаются в фотореализме. К примеру, PostScript и PDF используют модель векторной графики.

3 Растровая графика

Ра́стровое изображе́ние — представляет собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах (растр).

Важными характеристиками изображения являются:

количество пикселей — размер. Может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024×768, 640×480, …) или же, редко, общее количество пикселей (часто измеряется в мегапикселях);

количество используемых цветов или глубина цвета (эти  характеристики имеют следующую  зависимость: , где  — количество цветов, а  — глубина цвета);

цветовое пространство (цветовая модель) RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и др.

разрешение — справочная величина, говорящая о рекомендуемом  размере пикселя изображения.

Растровую графику редактируют  с помощью растровых графических  редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде Снимок экрана.

Достоинства

Растровая графика позволяет  создать (воспроизвести) практически  любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла.

Распространённость —  растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких  значков до плакатов.

Высокая скорость обработки  сложных изображений, если не нужно  масштабирование.

Растровое представление  изображения естественно для  большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как  мониторы (за

 

исключением векторных), матричные  и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры, а также сотовые телефоны.

Недостатки

-Большой размер файлов у простых изображений.

-Невозможность идеального масштабирования.

-Невозможность вывода на печать на плоттер.

Из‑за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику.

Форматы

-Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.

Сжатие без потерь

Основная статья: Сжатие без потерь

Использует алгоритмы  сжатия, основанные на уменьшении избыточности информации.

BMP или Windows Bitmap — обычно  используется без сжатия, хотя  возможно использование алгоритма  RLE.

GIF (Graphics Interchange Format) — устаревающий формат, поддерживающий не более 256 цветов одновременно. Всё ещё популярен из‑за поддержки анимации, которая отсутствует в чистом PNG, хотя ПО начинает поддерживать APNG.

PCX устаревший формат, позволявший хорошо сжимать простые  рисованые изображения (при сжатии группы подряд идущих пикселов одинакового цвета заменяются на запись о количестве таких пикселов и их цвете).

PNG (Portable Network Graphics)

Сжатие с потерями

Основная статья: Сжатие данных с потерями

Основано на отбрасывании части информации (как правило наименее воспринимаемой глазом).

JPEG очень широко используемый  формат изображений. Сжатие основано  на усреднении цвета соседних  пикселей(информация о яркости  при этом не усредняется) и  отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.

Разное

TIFF поддерживает большой  диапазон изменения глубины цвета,  разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.