Введение в компьютерную графику.
Понятие компьютерной графики. Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов 20 века для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях.
С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.
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.
Интерактивная компьютерная графика - это использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени.
Основные направления компьютерной графики
Визуализация изображений, Обработка изображений, распознавание изображений.
Существует большое количество методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собой в зависимости от того, что и как должно быть отображено: график функции, диаграмма, схема, карта или имитация трехмерной реальности – изображения сцен в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования.
Важными факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.
Обработка изображений – это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение и результат – тоже изображение:
Задачей обработки изображений может быть, как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально изменяющее изображение. В последнем случае обработка изображений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения.
Основной задачей распознавания изображений является получение описания изображенных объектов.
Цель распознавания:
выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты),
классификация изображения в целом (например, проверка, изображен ли определенный объект, или установление персоны по отпечаткам пальцев).
Задача распознавания является обратной по отношению к визуализации:
Сферы применения компьютерной графики:
САПР (системы автоматизированного проектирования);
деловая графика (графическое представление данных: таблицы, схемы, диаграммы, иллюстрации, чертежи);
визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);
медицина (компьютерная томография, УЗИ и т.д.);
геодезия и картография (ГИС);
полиграфия (схемы, плакаты, иллюстрации);
сфера массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);
кинематография (спецэффекты, компьютерная мультипликация);
быт (компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).
Виды компьютерной графики:
Растровая графика
Векторная графика
Фрактальная графика
3D – графика
Различаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.
Растровая графика.
Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета.
Пиксель (элемент картинки) - наименьший единый элемент растровой графики.
Основными характеристиками являются глубина цвета и разрешение изображения.
Разрешение изображения
Для определения понятия разрешения необходимо выбрать единицу длины; чаще всего используют британскую – дюйм = 2,54 cм.
Разрешение изображения – это число пикселей на единицу длины, обозначается ppi (пиксели на дюйм).
Физический размер изображения может измеряться и в пикселях, и в единицах длины (мм, см, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.
Изображение с большим разрешением содержит больше пикселей (и меньшего размера), чем у изображения с меньшим разрешением (и большего размера).
Следует различать: разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и разрешение изображения.
Все эти понятия относятся к разным объектам. Друг с другом эти виды разрешения никак не связаны, пока не потребуется узнать, какой физический размер будет иметь картинка на экране монитора, отпечаток на бумаге или файл на жестком диске.
Разрешение экрана – свойство компьютерной видеосистемы (зависит от параметров монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows).
Разрешение экрана измеряется в пикселях на дюйм (ppi - pixel per inch) и определяет размер изображения, которое может быть размещено на экране целиком.
Разрешение печатающего устройства (принтера) – свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины.
Оно измеряется в единицах dpi (dots per inch – точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.
Глубина цвета – это количество бит, отведенных на кодирование цвета.
Таким образом, глубина цвета позволяет определить, какое максимальное количество цветов может быть реализовано в изображении.
Например, если глубина цвета составляет 24 бита, то изображение может содержать до 16,8 млн. различных цветов и оттенков (т.е. 224 ≈ 16,8 млн.).
Чем больше цветов используется для электронного представления изображения, тем точнее информация о цвете каждой его точки (т.е. его цветопередача).
Применение растровой графики при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий.
В веб-дизайне и Интернете.
Таким образом, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображения, сколько на их обработку.
Векторная графика.
Векторные графические изображения создаются из объектов (примитивов), которые описываются с помощью так называемых параметрических уравнений (линии, окружность, прямоугольник и др.).
Объекты состоят из контура и заливки.
Объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но на экран все изображения выводятся в виде точек.
Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой.
Широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах (оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов).
Программные средства для работы с векторной графикой предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.
Фрактальная графика.
Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. В основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников.
Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие.
Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. В простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале. Мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры».
Изменяя и комбинирую окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию».
Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.
Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.
3D-графика. (трёхмерная графика)
Трёхмерная компьютерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве.
В трёхмерной графике все объекты представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном.
В качестве полигона обычно выбирают треугольники.
Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют три вида матрицы: поворота, сдвига и масштабирования.
Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного.
Трёхмерная графика широко применяется в:
научных расчетах,
инженерном проектировании,
компьютерном моделировании физических объектов,
кино и компьютерных играх.
Список литературы
1. Проузис, Д. Как работает компьютерная графика. / Д. Проузис. – Санкт-Петербург: Питер, 2008.
2. Жвалевский, А. Компьютерная графика: Photoshop CS3, CorelDRAW X3, Illustrator CS3. Трюки и эффекты. / А. Жвалевский, И. Гурская, Ю. Гурский. – Санкт-Петербург: Питер, 2008.
3. Божко, А. Компьютерная графика. / А. Божко, Д.М. Жук, В.Б. Маничев. - Москва: МГТУ им. Баумана, 2007.
4. Вишневская, Л. Компьютерная графика для школьников. / Л. Вишневская - Москва: Новое знание, 2007.
5. Летин, А. Компьютерная графика. / А. Летин, И. Пашковский, О. Летина. - Москва: Форум, 2007.
6. Сергеев, А. Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. / А. Сергеев, С. Кущенко. - Москва: Диалектика, 2007.
7. Андреев, О.Ю. Самоучитель компьютерной графики. Учебное пособие. / О.Ю. Андреев, В.Л. Музыченко. - Москва: Триумф, 2007.