Компьютерная графика. Векторная и растровая графика

ОГЛАВЛЕНИЕ:

 

1. Введение.
2. Понятие и история компьютерной графики.
3. Растровая графика
4. Преимущества и недостатки растровой графики
5. Векторная графика
6. Преимущества и недостатки векторной графики
7. Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из первых умений, которое  приобретает человек в своей  жизни, порой ещё даже не научившись говорить, является умение рисовать. Мы рисуем на бумаге, на асфальте, на холсте. Но в последнее время желающих рисовать всё больше привлекает компьютер. Мир компьютерной графики необъятен. Это и несколько миллионов цветов в палитре, это и возможность анимировать изображение, это и различные эффекты, применить которые на обычной бумаге достаточно сложно или невозможно вообще. Только на компьютере можно изменить, дорисовать и дополнить понравившееся изображение, не имея при этом дополнительного художественного образования.

2. ПОНЯТИЕ И ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Компьютерная графика  в настоящее время сформировалась как наука об аппаратном и программном  обеспечении для разнообразных  изображений. Компьютерная графика  используется почти во всех научных  и инженерных дисциплинах для  наглядности и восприятия, передачи информации. Применяется в медицине, бизнесе, индустрии развлечений  и т. д. Конечным продуктом компьютерной графики является изображение. Это  изображение может быть техническим  чертежом, иллюстрацией с изображением детали в руководстве по эксплуатации, простой диаграммой, архитектурным  видом предполагаемой конструкции  или проектным заданием, рекламной  иллюстрацией или кадром из мультфильма.

Представление данных на мониторе  компьютера  в   графическом  виде  впервые было реализовано  в середине 50-х годов  для  больших  ЭВМ,  применявшихся  в научных  и военных исследованиях. С тех  пор  графический  способ  отображения  данных стал неотъемлемой  принадлежностью  большинства  компьютерных систем,  в  особенности  персональных.  Графический  интерфейс  пользователя сегодня является стандартом «де-факто» для программного  обеспечения разных классов, начиная с операционных  систем. Существует специальная область  информатики,  изучающая  методы  и  средства создания   и   обработки   изображений   с   помощью   программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает  все  виды и формы представления изображений, доступных для восприятия  человеком  либо на  экране  монитора,  либо  в  виде  копии  на  внешнем  носителе  (бумага, кинопленка,  ткань  и   прочее).   Без   компьютерной   графики   невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный,  вполне  материальный мир.  Визуализация  данных  находит  применение  в   самых   разных   сферах человеческой  деятельности.  Для  примера  назовем бизнес и  экономику, медицину   (компьютерная томография),   научные   исследования   (визуализация   строения   вещества, векторных полей и других данных), моделирование  тканей  и  одежды,  опытно-конструкторские разработки.

Хотя компьютерная графика  служит всего лишь  инструментом,  ее  структура  и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных  и прикладных  наук: математики,  физики,  химии,  биологии,   статистики,   программирования   и множества других. Это замечание  справедливо как для программных, так  и  для аппаратных средств  создания и обработки изображений  на  компьютере.  Поэтому компьютерная  графика  является  одной  из  наиболее   бурно   развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает «локомотивом»,  тянущим за собой всю компьютерную индустрию.

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

3. 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.

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.

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. 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

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. 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.

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  просмотра  (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. 1).  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.

Рис.1

 

 

4. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ

Достоинства

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 

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.

 

5. 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.

Цвет в  векторной  графике

Различные векторные форматы  обладают различными цветовыми возможностями. Простейшие форматы, которые могут  не содержать вообще никакой информации о цвете, используют цвет по умолчанию  тех устройств, на которые они  выводятся, другие форматы способны сохранять данные о полном тридцати двух битном цвете. Какую бы цветовую модель не применял бы векторный формат, на размер файла он не влияет, кроме  тех случаев, когда файл содержит растровые образы. В обычных векторных  объектах значение цвета относится  ко всему объекту в целом. Цвет объекта хранится в виде части  его векторного описания. Некоторые  векторные файлы могут создать  растровый эскиз изображений  хранящихся в них. Эти растровые  картинки, иногда называемые краткими описаниями изображений, обычно представляют собой эскизы векторных рисунков в целом. Краткое описание изображения, особенно полезно в ситуациях, когда  вы не хотите открывать весь файл, чтобы  посмотреть, что в нем хранится или когда вы не можете видеть векторный рисунок во время его использования. Первая ситуация возникает, когда вам необходимо найти файл с помощью одной из многих специально разработанных для этого программ. Для облегчения поиска нужного векторного файла такие программы могут считывать растровый эскиз изображения и другие характеристики, например, векторный формат, время создания, битовую глубину изображения и так далее. Вторая ситуация возникает, когда в каком-либо издательском пакете помещается на страницу векторный рисунок. Изображение, которое вы увидите, будет растровым эскизом настоящего векторного рисунка, у которого нельзя изменить размер, обрезать или как-то иначе обработать изображение. За эскизы изображения приходится расплачиваться памятью, т.к. эскизы - это растровая версия рисунков, а растровые данные используют много памяти компьютера (Рис. 2).