Шпаргалка по "Компьютерной графике"

Компьютерная графика

Разделы компьютерной графики

Компьютерная графика  включает ввод, обработку и вывод  изображения чертежей, рисунков, текстов средствами вычислительной техники.

Работа с компьютерной графикой — одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера. Например, компьютерная графика широко используется при создании компьютерных игр, кино- и видеофильмов. Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа. Работа над графикой занимает до 90% рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения. Основные трудовые затраты в работе редакций и издательств также составляют художественные и оформительские работы с графическими программами.

Выделяют три раздела  компьютерной графики: аппаратный, программный и алгоритмический.

Аппаратный раздел изучает  устройства ввода, обработки и вывода графической информации (устройства ввода: клавиатура, манипулятор «мышь», сканер, графический планшет и видеокамера, устройства вывода: монитор, принтер, плоттер).

Программное обеспечение  определяет способ общения человека с компьютером. Различные типы программ (при соответствующем аппаратном обеспечении) позволяют быстро строить изображения с помощью графических редакторов, использующих набор стандартных операций, вводить изображение с помощью сканера или через видеокамеру, а также задавать его на различных языках программирования.

Алгоритмический раздел компьютерной графики связан со способами алгоритмического представления преобразований изображения, таких как повороты, перемещения, копирование, нанесение теней и т.п.

Виды компьютерной графики

Несмотря на то, что  для работы с компьютерной графикой существует множество программ, различают всего три вида компьютерной графики: растровая, векторная и фрактальная. 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. Чаще для этой цели сканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры, соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

Программные средства для  работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще.

Программные средства для  работы с фрактальной графикой предназначены  для автоматической генерации изображений  путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании.

Растровая графика

Наиболее просто реализовать  растровое представление изображения. Растр, или растровый массив (bitmap), представляет совокупность битов, расположенных на сетчатом поле-канве. Бит может быть включен (единичное состояние) или выключен (нулевое состояние). Состояния битов можно использовать для представления черного или белого цветов, так что, соединив на канве несколько битов, можно создать изображение из черных и белых точек.

Растровое изображение  напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена черным или белым цветом.

 

Основным элементом растрового изображения является пиксель (pixel). Под этим термином часто понимают несколько различных понятий: отдельный элемент растрового изображения, отдельная точка на экране монитора, отдельная точка на изображении, напечатанном принтером. Поэтому на практике эти понятия часто разделяют так:

• пиксель — отдельный элемент растрового изображения;

• видеопиксель — элемент изображения на экране монитора;

• точка — отдельная  точка, создаваемая принтером или  фотонаборным автоматом.

Цвет каждого пикселя растрового изображения — черный, белый, серый или любой из спектра — запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов используется для этого, тем большее количество оттенков цветов для каждого пикселя можно получить. Число битов, используемых компьютером для хранения информации о каждом пикселе, называется битовой глубиной или глубиной цвета.

Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселей, имеющих два возможных цвета — черный и белый. Для хранения такого типа пикселей требуется один бит в памяти компьютера, поэтому изображения, состоящие из пикселей такого вида, называются 1-битовыми изображениями. Для отображения большего количества цветов используется больше битов информации. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цвета каждого пикселя равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых для каждого пикселя. 24 бита обеспечивают более 16 миллионов цветов. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так как такого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить все возможные цвета, которые способен различать человеческий глаз.

Основной недостаток растровой графики состоит в  том, что каждое изображение для своего хранения требует большое количество памяти. Простые растровые картинки, такие как копии экрана компьютера или черно-белые изображения, занимают до нескольких сотен килобайтов памяти. Детализированные высококачественные рисунки, например, сделанные с помощью сканеров с высокой разрешающей способностью, занимают уже десятки мегабайтов. Для разрешения проблемы обработки объемных (в смысле затрат памяти) изображений используются два основных способа:

• увеличение памяти компьютера;
• сжатие изображений.

Другим недостатком  растрового представления изображений  является снижение качества изображений при масштабировании.

Векторная графика

Векторное представление, в отличие от растровой графики, определяет описание изображения в виде линий и фигур, возможно, с закрашенными областями, заполняемыми сплошным или градиентным цветом. Хотя это может показаться более сложным, чем использование растровых массивов, но для многих видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

В векторной графике для описания объектов используются комбинации компьютерных команд и математических формул для описания объектов. Это позволяет различным устройствам компьютера, таким как монитор и принтер, при рисовании этих объектов вычислять, где необходимо помещать реальные точки.

Векторную графику часто называют объектно-ориентированной или чертежной графикой. Имеется ряд простейших объектов, или примитивов, например: эллипс, прямоугольник, линия. Эти примитивы и их комбинации используются для создания более сложных изображений. Если посмотреть содержание файла векторной графики, обнаруживается сходство с программой. Он может содержать команды, похожие на слова, и данные в коде ASCII, поэтому векторный файл можно отредактировать с помощью текстового редактора. Приведем в условном упрощенном виде команды, описывающие окружность:

объект — окружность;

центр — 50, 70;

радиус — 40;

линия: сплошная;

цвет — черный;

толщина — 0.50;

заливка — нет.

Данный пример показывает основное достоинство векторной графики  — описание объекта является простым и занимает мало памяти. Для описания этой же окружности средствами растровой графики потребовалось бы запомнить каждую отдельную точку изображения, что заняло бы гораздо больше памяти.

Кроме того, векторная графика в  сравнении с растровой имеет  следующие преимущества:

• простота масштабирования изображения  без ухудшения его качества;

• независимость объема памяти, требуемой  для хранения изображения, от выбранной цветовой модели.

Сфера применения векторной графики  очень широка: как и растры, она  занимает свою «нишу», в которой не знает себе равных. Во-первых, она играет огромную роль в компьютерной полиграфии. Векторными методами формируются не только шрифты TrueType, но и сотни разнообразных картинок, которые легко масштабировать и использовать в печатных изданиях и видеоматериалах. Примерами таких картинок являются картинки, поставляемые в библиотеках рисунков Microsoft Clipart Gallery. Во-вторых, векторные методы незаменимы в конструкторской и научной деятельности — в системах компьютерного черчения, автоматизированного проектирования, в трехмерной графике и т. д.

Элементарным объектом векторной графики является Линия. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные, например, объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как двенадцать связанных линий, либо как шесть связанных четырехугольников.

Как и все объекты  линии имеют свойства. К этим свойствам  относятся: форма линии, ее толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная т п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. Простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые называются узлами. Узлы тоже имеют свойства, от которых зависит, как выглядит вершина линии и как две линии сопрягаются между собой. Так как простейшим объектом векторной графики является линия, то основе векторной графики лежит, прежде всего, математическое представление линии.

Рассмотрим несколько  видов линий, но начнем с точки. точка на плоскости задается двумя числами (х, у), определяющими ее положение относительно начала координат.

Прямая линия. Из курса алгебры известно, что для задания прямой линии достаточно двух параметров. Обычно график прямой линии описывается уравнением у=kх+b. Зная параметры k и b, всегда можно нарисовать бесконечную прямую линию в известной системе координат. Для задания отрезка прямой надо знать координаты y и х, начала и конца отрезка, поэтому для описания отрезка прямой линии необходимы четыре параметра.

Кривая второго  порядка. К кривым второго порядка относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности и другие линии, уравнения которых не содержат степеней выше второй. Отличаются кривые второго порядка тем, что не имеют точек перегиба. Самая общая формула кривой второго порядка выглядит следующим образом:

х²+а₁у²+а₂ху+а₃х+а₄у+а₅ = 0.

Как видно, для описания бесконечной  кривой второго порядка достаточно пяти параметров. С учетом необходимости знать координаты х, и у начала и конца отрезка для записи отрезка кривой второго порядка необходимо семь параметров.

Кривая третьего порядка. Отличительная особенность этих более сложных кривых состоит в том, что они могут иметь точку перегиба, как знакомый вам из математики график функции у=х³, имеющий перегиб, который происходит в начале координат. Кривые третьего порядка используют в качестве основных объектов векторной графики потому, что они хорошо соответствуют тем линиям, которые мы наблюдаем в живой природе.

Все прямые и кривые второго порядка (например, окружности или эллипсы) можно представить частными случаями кривых третьего порядка. В общем случае уравнение кривой третьего порядка записывается так:

х³ + a₁y³+ а₂х²у+ а₃ху²+ а₄х²+ а₅у² + а₆ху+ а₇х+ a₈y+ а₉ = 0.

Видно, что для записи кривой третьего порядка достаточно девяти параметров, а для задания ее отрезка надо иметь одиннадцать параметров.

Кривые Безье. Рисовать кривую третьего порядка по заданным коэффициентам ее уравнения занятие сложное. Для упрощения этой утомительной процедуры в векторных редакторах применяют не любые кривые третьего порядка, а их особый вид называемый кривыми Безье, которые являются частным случаем отрезков кривых третьего порядка. Они описываются не одиннадцатью параметрами, как произвольные отрезки кривых третьего порядка, а лишь восемью, и потому работать с ними удобнее.

Метод построения кривой Безье основан на использовании  пары касательных, проведенных к линии в точках ее концов. На практике эти касательные исполняют роль «рычагов», с помощью которых линию изгибают так, как это необходимо. На форму линии влияет не только угол наклона касательной, но и длина ее отрезка. Управление касательной (а вместе с ней и формой линии) производят перетаскиванием маркера с помощью мыши.

Соотношение между векторной и  растровой графикой

Говоря о растровой  графике, мы указали на два ее существенных недостатка: значительный объем массивов данных, которые надо хранить и обрабатывать, а также невозможность масштабирования изображения без потери качества.

Векторная графика устраняет  оба эти недостатка, но, в свою очередь, значительно усложняет работу по созданию художественных иллюстраций. На практике средства векторной графики используют не для создания художественных композиций, а для оформительских, чертежных и проектно-конструкторских работ.