Цели: Знать понятия «компьютерная графика», «пиксел», «растр», «разрешающая способность»
| Вид материала | Документы |
- Методическая разработка открытого урока по теме "Компьютерная графика", 96.49kb.
- Программа кружка «Компьютерная графика» (34 часа), 462.83kb.
- Элективный курс по информатике и икт компьютерная графика, 84.46kb.
- Трёхмерная компьютерная графика – пользовательский и алгоритмический подход, 72.66kb.
- Аннотация примерной программы дисциплины «Инженерная и компьютерная графика» Рекомендуется, 412.89kb.
- Программа дисциплины Компьютерная графика (цикл опд. Ф. 6): «Искусство интерьера»-052500, 165.78kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Компьютерная графика» По специальности 230102., 250.33kb.
- Рабочей программы дисциплины Инженерная и компьютерная графика (наименование) по направлению, 22.67kb.
- Уроков по теме «Компьютерная графика», 110.04kb.
- Аннотации дисциплин, 456.29kb.
Цели:
- Знать понятия «компьютерная графика», «пиксел», «растр», «разрешающая способность».
- Знать особенности компьютерной графики.
- Иметь представление о назначении компьютерной графики.
- Знать виды компьютерной графики.
- Знать основные характеристики растровых изображений.
- Иметь представление об отличии растровой и векторной компьютерной графики.
- Понимать, что представляет собой растровое и векторное изображения.
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. Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображения с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов - компьютерная графика.
Датой появления на свет компьютерной графики можно считать 1930 г., когда в США русский эмигрант Зворыкин изобрел электронно-лучевую трубку. Первая компьютерная программа, которая могла отображать и вращать на дисплее точки, отрезки, эллипсы, появилась в 1962 г. в Массачусетском технологическом институте (MIT). После этого крупные фирмы и корпорации занялись исследованиями в новой тогда области, названной компьютерной графикой. Идею и основную задачу компьютерной графики можно сформулировать следующим простым выражением: имеется описание того, что мы хотим увидеть, необходимо написать (разработать) алгоритм для того, чтобы это появилось на экране.
В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:
В задачи компьютерной графики входит синтез (воспроизведение) изображения, когда в качестве исходных данных выступает смысловое описание объекта (образа). Простейшие примеры задач компьютерной графики: построение графика функции одной переменной y = f (x) , визуализация процесса вращения трехмерного тела (куб, тетраэдр и т.д.), синтез сложного рельефа с наложением текстуры и добавлением источников света. Также можно выделить бурно развивающуюся в настоящее время интерактивную компьютерную графику. Это способ «общения» с компьютером, при котором пользователь может вести «диалог» на уровне команд. Примерами могут быть всевозможные системы автоматизированного проектирования (САПР), геоинформационные системы (ГИС), компьютерные игры .
Компьютерная графика в настоящее время сформировалась как наука об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Компьютерная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности и восприятия, передачи информации. Применяется в медицине, рекламном бизнесе, индустрии развлечений и т. д. Конечным продуктом компьютерной графики является изображение.
Графика широко используется в Интернете. Главной особенностью графики в Интернете является то, что обычно она соседствует с текстовой информацией и элементами интерфейса (кнопками, переключателями и т. п.), и это соседство приходится учитывать при создании изображений. Основное назначение графики в том, чтобы привлечь внимание к Web-странице в целом или к отдельным ее фрагментам, а также представить информацию, которую словами не опишешь. Графика используется и для оформления страницы, и для представления информации (иллюстраций).
Другая немаловажная особенность графики для Интернета заключается в довольно жестких ограничениях, накладываемых на объем файлов. И это связано не столько с экономией дискового пространства компьютера, сколько с пропускной способностью каналов связи. В настоящее время немало посетителей. Если Web-страница загружается в браузер дольше 10 с, это раздражает посетителей, которые могут уйти по другому адресу, так и не дождавшись окончания загрузки. Следовательно, нужно стремиться к тому, чтобы Web-страница не превышала по объему 50-60 Кбайт.
Основные направления компьютерной графики:
· изобразительная компьютерная графика;
· обработка и анализ изображений;
· анализ сцен (перцептивная компьютерная графика);
· ·компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика - графика, способствующая познанию).
Объектами изобразительной компьютерной графики служат синтезированные изображения. Здесь решаются следующие задачи:
· построение модели объекта и генерация изображения;
· преобразование модели и изображения;
· идентификация объекта и получение требуемой информации.
Объектом обработки и анализа изображений служит дискретное, числовое представление фотографий. Здесь решаются следующие задачи:
· повышение качества изображения;
· оценка изображения - определение формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов;
· распознавание образов - выделение и классификация свойств объектов (обработка аэрокосмических снимков, ввод чертежей, системы навигации, обнаружения и наведения).
В основе обработки и анализа изображений лежат методы представления, обработки и анализа изображений и изобразительная компьютерная графика для того, чтобы представить результаты.
Предметом анализа сцен является исследование абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках.
Первый шаг в анализе сцены - выделение характерных особенностей, формирующих графический объекты. Примерами могут быть: машинное зрение (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта, например, сердца.
Таким образом, в основе анализа сцен (перцептивной компьютерной графики) находятся изобразительная графика, анализ изображений и специализированные средства.
Когнитивная компьютерная графика - компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. База - мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации. Общая последовательность познания заключается, возможно, в циклическом, продвижении от гипотезы к модели (объекта, явления) и решению, результатом которого является знание.
Достижения компьютерной графики можно видеть на экранах телевизоров, на рекламных заставках. Реклама в этом случае выступает как мощный стимул к развитию все более совершенного графического инструментария.
Графические файлы обычно содержат данные одного из двух типов:
- растровые — в виде цветных точек (или пикселов), расположенных рядами;
- векторные — изображения состоят из линий, многоугольников и текста.
Растровая графика
 |
| Рис.1. Растровое изображение |
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. 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 может использоваться 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, в совокупности формируя рисунок (рис.2),(рис.1.)
| |
| Рис.2 Пример растрового изображения |
Основным элементом растрового изображения является точка или пиксел (pixel). Под этим термином часто понимают несколько различных понятий.
На практике эти понятия часто обозначают так:
- пиксел - отдельный элемент растрового изображения;
- видеопиксел - элемент изображения на экране монитора;
- точка - отдельная точка, создаваемая принтером.
Цвет каждого пиксела 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 пиксела можно получить. Добавление одного бита удваивает количество значений, которое можно закодировать. Байтом - группой из восьми битов - можно закодировать 2 в степени 8 = 256, а тремя байтами - 24 битами можно закодировать 2 в степени 24 или 256*256*256=16777216 различных цветов.
Число битов, используемых компьютером для хранения информации о каждом пикселе, называется битовой глубиной или глубиной цвета. Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселов, имеющих два возможных цвета - черный и белый. Для хранения такого типа пикселов требуется один бит в памяти компьютера, поэтому изображения, состоящие из пикселов такого вида называются 1-битовыми изображениями. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цвета каждого пиксела равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых для каждого пиксела. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так как такого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить всевозможные цвета, которые способен различить человеческий глаз.
Характеристики растровых изображений
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. Чем выше разрешение (т.е. число точек, цвета которых сохранены) тем, в общем случае, выше качество изображения. Когда говорят о растровой графике, то минимальным элементом обычно является пиксел, а заданной областью дюйм (1 дюйм=2,54 см). 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:
- размер изображения;
- битовая глубина цвета;
- формат файла, используемого для хранения изображения.
Существует прямая зависимость размера файла растрового изображения от количества пикселов. 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.
Достоинства растровой графики:
- одним из достоинств растровой графики является простота и техническая реализуемость (автоматизация) ввода (оцифровки) изобразительной информации. Существует развитая система внешних устройств ввода изображения (сканеры, видеокамеры, цифровые фотокамеры, графические планшеты);
- широчайших возможностях по редактированию изображения, выражающихся в простом доступе к каждому пикселю изображения, возможности индивидуального изменения каждого из его параметров;
- растровое изображение имеет преимущества при работе с фотореалистичными объектами, например сценами природы или фотографиями людей. Дело в том, что наш мир создан как растровый. И его объекты трудно представить в векторном, т.е. в математическом представлении. Фотореалистичность подразумевает, что в растровой программе можно получать живописные эффекты, например туман или дымку, создать перспективную глубину или нерезкость, размытость.
Недостатки растровой графики:
- при попытке что-нибудь нарисовать в программе точечной графики, она потребует от вас решение о разрешении (количество точек на единицу длины) и о глубине цвета (количество цветовых битов на пиксел). Ничего этого знать в векторной графике не нужно;
- объем файла точечной графики однозначно определяется произведением площади изображения на разрешение и на глубину цвета. При этом неважно, что отображено на фотографии. Если три параметра одинаковы, размер файла будет практически одинаковым;
- при сканировании фотографии с максимальным разрешением и глубиной цвета, картинка потребует огромный объем дискового пространства;
- любые трансформации (повороты, масштабирование, наклоны) в точечной графике не бывают без искажений;
- невозможно увеличить изображение для рассмотрения деталей. Увеличение изображения приводит только к увеличению точек и визуально искажает иллюстрацию(рис.3.);
- текст в растровой графике оказывается проблемой. Если нужно отредактировать уже набранный ранее текст , то нельзя просто поместить курсор между буквами, удалить запись и начать снова набирать. Файл текстового размера занимает много места.
| | |
| Рис.3. Увеличение растрового изображения | |
Применение растровой графики
Растровую графику применяют при разработке электронных и полиграфических изданий. Их редко создают вручную с помощью ПК. Чаще для этой цели используют сканирование иллюстраций, созданных художником на бумаге, или фотографий. В последнее время для ввода растровых изображений в ПК находят 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 создание иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.
Векторная графика
| |
| Рис.4. Векторное изображение |
В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов, окружностей и линий (рис.5.). Хотя на первый взгляд это может показаться сложнее, чем использование растровых массивов, но для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом.
| |
| Рис.5.Площадь круга определяется формулой S=pR2. Для изменения размера изображения достаточно указать новое значение параметра (диаметра), после чего программа выполнит перерисовку фигуры с новыми размерами. |
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. Каждый объект можно перемещать, масштабировать, изменять. Поэтому векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой.
Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике - линия. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом.(рис.4.) Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике.
Векторная графика представляет изображение как набор примитивов.(рис.6.) Типичные примитивные объекты:
- линии и ломаные линии;
- многоугольники;
- окружности и эллипсы;
- кривые Безье;
- сплайны некоторого порядка;
- текст (в компьютерных шрифтах, таких как TrueType, каждая буква создаётся из кривых Безье).
| |
| Рис.10.6. Векторное изображение |
Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов, математических уравнений и других чисел, характеризующих набор примитивов. Векторное изображение многослойно. Каждый элемент этого изображения располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются совершенно независимо от других слоёв. Слои накладываясь друг на друга формируют цельное изображение. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.(рис.10.4.)
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.
Достоинства векторной графики:
- одним из достоинств векторной графики является возможность неограниченного масштабирования изображения без потери качества и практически без увеличения размера исходного файла. Это связано с тем, что векторная графика содержит только описания объектов;
- векторную графику значительно легче редактировать, поскольку готовое изображение не является "плоской" картинкой из пикселов, а составлено из объектов;
- векторным программам свойственна высокая точность рисования;
- векторная графика экономна в плане объемов дискового пространства, необходимого для хранения изображений, т.к. сохраняется не само изображение, а некоторые данные (математические формулы объекта);
- описание изображения является простым и занимает мало памяти компьютера;
- прекрасное качество печати рисунков, отсутствие проблем с экспортом векторного изображения в растровое.
Недостатки векторной графики:
- практически невозможно осуществить экспорт изображения из растрового в векторный;
- ограничение в живописных средствах и не позволяет получать фотореалистические изображения с тем же качеством, что и растровая;
- векторный принцип описания изображения не позволяет автоматизировать ввод графической информации, как это делает сканер для растровой;
- невозможно применение обширной библиотеки эффектов.
Вопросы для самоконтроля:
- В чем состоят различия растровых и векторных графических изображений?
- Что является базовыми элементами изображения в растровой и векторной графике?
- Что такое разрешающая способность растра?
- Влияет ли разрешающая способность изображения на величину файла?
- Как определяется объем файла точечной графики?