Глава VII. Компьютерная графика

Общие сведения

Компьютерная графика – это специальная область информатики, изучающая методы, средства создания и обработки изображения с помощью специальных программ (или программно-аппаратных комплексов). Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком, либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Например, медицина (компьютерная томография), научные исследования, моделирование, анимация, опытно-констукторские разработки и т.д.

Необходимо отметить следующую отличительную черту компьютерных изображений. Изображения, которые мы встречаем в нашей повседневной жизни, реальные картины природы, можно бесконечно детализировать, выявлять все новые цвета и оттенки. Изображения, хранящиеся в памяти компьютера, независимо от способа их получения и представления, всегда являются усеченной моделью картины реального мира. Их детализация возможна лишь с той степенью, которая была заложена при их создании или получении, и их цветовая гамма будет не шире заранее оговоренной.

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная графика (3D), изучающая приемы и методы построения объемных моделей в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способ формирования изображения.

Растровая графика

Растровое изображение представляет картину, состоящую из массива точек на экране, имеющих такие атрибуты как координаты и цвет. Пиксель – наименьший элемент изображения на экране компьютера. Растровый рисунок похож на мозаику, в которой каждый элемент (пиксель) закрашен определенным цветом. Этот цвет закрепляется за определенным местом экрана. Перемещение фрагмента изображения «снимает» краску с электронного холста и разрушает рисунок. Информация о текущем состоянии экрана хранится в памяти видеокарты. Информация может храниться и в памяти компьютера - в графическом файле данных. Самыми близкими аналогами растровой графики является живопись, фотография.

Важными характеристиками растрового изображения являются:

1. Количество пикселей. Может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024×768, 640×480 и т. п.) или же общее количество пикселей.

2. Количество используемых цветов или глубина цвета. Глубина цвета (качество цветопередачи, битность изображения) означает объём памяти в количестве бит, используемых для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения. Часто выражается единицей бит на пиксель. Эти характеристики имеют следующую зависимость: , где – количество цветов, – глубина цвета;

3. Цветовое пространство (цветовая модель). Цветовая модель – математическая модель описания представления цветов в виде кортежей чисел (обычно из трёх, реже четырёх) значений, называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Все возможные значения цветов, задаваемые моделью, определяют цветовое пространство.

Существует несколько цветовых моделей, рассмотрим некоторые из них. 

- Цветовая модель RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue) – аддитивная цветовая модель, как правило, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения.

Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. RGB модель описывает излучаемые цвета. Она основана на трёх основных (базовых) цветах: красный, зелёный и синий.
Из рисунка видно, что сочетание зелёного и красного дают жёлтый цвет, сочетание зелёного и синего - голубой, а сочетание всех трёх цветов - белый. Из этого можно сделать вывод о том, что цвета в RGB складываются субтрактивно.
Основные цвета взяты из биологии человека. То есть, эти цвета основаны на физиологической реакции человеческого глаза на свет. Человеческий глаз имеет фоторецептор клеток, реагирующих на наиболее зеленый (М), желто-зеленый (L) и сине-фиолетовый (S) света (максимальная длин волн от 534 нм, 564 нм и 420 нм соответственно). Человеческий мозг может легко отличить широкий спектр различных цветов на основе различий в сигналах, полученных от трех волн.

Наиболее широко RGB цветовая модель используется в ЖК или плазменных дисплеях. Каждый пиксель на дисплее может быть представлен в интерфейсе аппаратных средств в качестве значений красного, зеленого и синего. RGB значения изменяются в интенсивности, которые используются для наглядности. Камеры и сканеры также работают в том же порядке, они захватывают цвет с датчиками, которые регистрируют различную интенсивность RGB на каждый пиксель.

RGB - трёхканальная цветовая модель. Каждый канал может принимать значения от 0 до 255 в десятичной или, что ближе к реальности, от 0 до FF в шестнадцатеричной системах счисления. Это объясняется тем, что байт, которым кодируется канал, да и вообще любой байт состоит из восьми битов, а бит может принимать 2 значения 0 или 1, итого 28=256. В RGB, например, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (FF) до чёрного (00). Таким образом, несложно подсчитать, что в модели RGB содержится всего 2563 или 16777216 цветов.

RGB не используется для печати на бумаге, вместо нее существует CMYK-цветовое пространство.

– CMYK – это цветовая модель используемая в цветной печати и полиграфии. Цветовая модель является математической моделью для описания цветов целыми числами. CMYK модель построена на голубом, пурпурном, желтом и черном цветах. Значения цветов в RGB и CMYK сильно различаются. Воспринимаемый человеком цвет как синий, например, в CMYK будет выглядеть как фиолетовый. Как такового синего цвета здесь нет. Зато отпечатанное изображение будет иметь высокое качество за счет того, что CMYK является четырехцветной палитрой. За счет черного цвета достигается высокая четкость изображений.

Цвет в CMYK зависит не только от спектральных характеристик красителей и от способа их нанесения, но и их количества, характеристик бумаги и других факторов. Фактически, цифры CMYK являются лишь набором аппаратных данных для фотонаборного автомата или CTP и не определяют цвет однозначно.

 

4. Разрешение – величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины).

Растровую графику создают и редактируют с помощью растровых графических редакторов. Растровый графический редактор –специализированная программа, предназначенная для создания и обработки растровых изображений. Подобные программные продукты нашли широкое применение в работе художников-иллюстраторов, аниматоров.

графический редактор Adobe Photoshop, Adobe Photoshop Elements, Corel Painter, Corel Painter Essentials, Corel PaintShop Pro, Corel Photo-Paint, Corel PhotoImpact, NeoPaint, Pixel Image Editor, PhotoPerfect, Pixelmator, RealWorld Photos.

Преимущества:

- Растровая графика позволяет создать 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 устройств вывода), цифровые фотоаппараты, сканеры, а также сотовые телефоны.

Недостатки

- Большой размер файлов у простых изображений.

- Невозможность идеального масштабирования.

- Невозможность вывода на печать на векторный графопостроитель.

Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде снимков экрана.

Векторная графика

Векторная графика – построение изображения с помощью «векторов» – функций, которые позволяют вычислить положение точки на экране или бумаге. Векторная графика описывает изображения с использованием прямых и изогнутых линий (векторов), а также параметров, описывающих цвета и расположение. Совокупность таких векторов – векторное изображение. Векторы представляют собой математическое описание объектов относительно точки начала координат. Проще говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую, нужны координаты двух точек, которые связываются по кратчайшей, для дуги задается радиус и т.д. Таким образом, векторная иллюстрация – это набор геометрических примитивов (линий, окружностей, прямоугольников, закрашенных областей). Сложность при передаче данных из одного векторного формата в другой заключается в использовании программами различных алгоритмов, разной математики при построении одних и тех же объектов. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества. Самым близким аналогом векторной графики является графическое представление математических функций. Например, для описания отрезка прямой достаточно указать координаты его концов, а окружность можно описать, задав координаты центра и радиус.

Т.е., векторное представление заключается в описании элементов изображения математическими кривыми с указанием их цветов и заполнения. При этом увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах. При увеличении рисунок фактически заново перерисовывается, благодаря чему векторный рисунок можно «растягивать» на любой размер. Но векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий), потому что каждый мельчайший блик будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. А это приводит к утяжелению файла.

Для работы с векторными файлами требуется специальное программное обеспечение – графические редакторы (CorelDraw, Adobe Illustrator, Macromedia FreeHand, Inkscape и др.). 

Фрактальная графика

Последней из рассматриваемых видов компьютерной графики - это фрактальная графика, которая является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся перспективных видов компьютерной графики.

Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников. Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70-х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандель-Бротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. 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. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Например, в центре фрактальной фигуры находится её простейший элемент – равносторонний треугольник, который получил название «фрактальный». Затем, на среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной, равной (1/3a) от стороны исходного фрактального треугольника. В свою очередь, на средних отрезках сторон полученных треугольников, являющихся объектами-наследниками первого поколения, выстраиваются треугольники-наследники второго поколения со стороной (1/9а) от стороны исходного треугольника.

Таким образом, мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры». Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Таким образом, можно описать и такой графический элемент, как прямую.

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, также как векторная и трёхмерная, является вычисляемой. Её главное отличие в том, что изображение строится по уравнению или системе уравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений, ничего кроме формулы хранить не требуется.

Только изменив коэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое изображение. Эта идея нашла использование в компьютерной графике благодаря компактности математического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности очень сложной формы.

Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Сегодня немногие компьютерщики в нашей стране и за рубежом знают фрактальную графику. С чем можно сравнить фрактальное изображение? Ну, например, со сложной структурой кристалла, со снежинкой, элементы которой выстраивается в одну сложную структуру. Это свойство фрактального объекта может быть удачно использовано при составлении декоративной композиции или для создания орнамента. Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала, позволяющего воспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному оригиналу.

С точки зрения машинной графики фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически благодаря фрактальной графике найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные. Геометрические фракталы на экране компьютера — это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальная музыка. Создатель фракталов — это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса, варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то есть творите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических редакторов (и в частности — Painter) от прочих графических программ.

Трехмерная графика

Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions — «3 измерения») – раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

3D моделирование — это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D моделирования — разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.

Мультимедиа технологии

Термин мультимедиа (multimedia) происходит от слов multi − «много», media − «среда, носитель» или, одним словом, «многосредность».

Существует множество определений, раскрывающие понятие мультимедиа.

Мультимедиа – это современная компьютерная информационная технология, позволяющая объединить в компьютерной системе текст, звук, видеоизображение, графическое изображение и анимацию (мультипликацию). Мультимедиа определяет информационную технологию, основанную на программно-аппаратном комплексе, включающем в себя компьютер с программным обеспечением и с различными средствами подключения к нему (аудио−, видеотехника и другие периферийные устройства). Она не только обеспечивает множественные каналы подачи информации, но и создает условия, когда различные среды дополняют друг друга. Перед учащимися открываются огромные возможности в творческом использовании каждой индивидуальной среды, обладающей своим языком. Некоторые из этих языков пространственно - ориентированны (текст, графика), в то время как другие ориентированны на время (звук, анимация и видео).

Таким образом,

Мультимедиа - это:

- технология, описывающая порядок разработки, функционирования и применения средств обработки информации разных типов;

- информационный ресурс, созданный на основе технологий обработки и представления информации разных типов;

- компьютерное программное обеспечение, функционирование которого связано с обработкой и представлением информации разных типов;

- компьютерное аппаратное обеспечение, с помощью которого становится возможной работа с информацией разных типов;

- особый обобщающий вид информации, которая объединяет в себе как традиционную статическую визуальную (текст, графику), так и динамическую информацию разных типов (речь, музыку, видео фрагменты, анимацию и т.п.).

Характеристикой мультимедийных систем является качество воспроизведения всех составляющих данных, а также возможность их взаимосвязанного или взаимодополняющего использования. Например, сочетание видеоряда с текстом и звуковым сопровождением; звуковых фрагментов музыкального произведения с текстовыми данными об исполняющих его музыкантах и инструментах; изображения художественного произведения с музыкальным фоном и текстом. Как было сказано, мультимедиа обеспечивает работу с различными типами данных, такими как: графика, текст, звук, видео, анимация.

Анимация (в переводе с лат. "анима" − душа) − технология, позволяющая при помощи неодушевленных неподвижных объектов создавать иллюзию движения. Наиболее популярная форма - мультипликация, представляющая собой серию рисованных изображений, создаётся на основе последовательности заранее заготовленных кадров (неподвижных изображений), с заданной частотой кадров. Анимация − оживление, одушевление. Впервые принцип инертности зрительного восприятия, лежащий в основе анимации, был продемонстрирован в 1828 году французом Паулем Рогетом. Объектом демонстрации был диск, на одной стороне которого находилось изображение птицы, а на другой − клетки. Во время вращения диска у зрителей создавалась иллюзия птицы в клетке.

Звук это один из типов мультимедиаинформации, который воспринимается благодаря нашему чувству − слуху. Для большинства из нас звук является привычным повседневным явлением, но при этом он представляет собой сложную комбинацию физических и психологических факторов, смоделировать которую весьма сложно. Каждому звуку соответствует своя звуковая волна (звуковая волна − это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени), а в соответствии с теорией математика Фурье, звуковую волну можно представить в виде спектра входящих в неё частот.

Звук − колебательное движение частиц воздуха или другой среды, распространяющееся в виде волн и воспринимаемое органом слуха. «Обычный» аналоговый звук представляется в аналоговой аппаратуре непрерывным электрическим сигналом. Компьютер оперирует с данными в цифровом виде. Цифровой звук – это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды.

Видео (от лат. video — смотрю, вижу)— множество технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального или аудиовизуального материала, а также распространённое название для собственно видеоматериала, телесигнала или кинофильма, в том числе записанного на физическом носителе (видеокассете, видеодиске и т. п.). Видео отличается от кинематографа только тем, что использует для записи и/или воспроизведения любой другой носитель, кроме киноплёнки; впрочем, всё большее распространение цифровых технологий при киносъёмке и цифровых кинопроекторов окончательно стирает грань между видео и кино. Видео − можно получать с помощью цифровых видеокамер, цифровых фотоаппаратов и сотовых телефонов, если они имеют режим видео, а также оцифровкой аналогового видео.

Рассмотрим наиболее популярные программы мультимедиа технологий.

Средства работы с графическими изображениями - программные продукты для работы со всеми видами графики, включая работу с трехмерными изображениями, анимацию и презентации.

Продукты корпорации Adobe Systems:

– Portable document format (pdf, Adobe pdj) - формат представления электронных документов, разработанный корпорацией Adobe Systems для создания, чтения и обмена без привязки к исходной среде, оболочке или операционной системе, в которых документы были разработаны. Технические возможности формата» и отсутствие его привязки к исходной среде позволяют применять его как универсальное средство представления электронных образовательных ресурсов, включая электронную разметку, навигацию, регламентированный доступ.

– Adobe Photoshop - графический редактор, который широко используют дизайнеры во всем мире. Бесспорный лидер среди программ подготовки изображений для их полиграфического воспроизведения, мультимедиа World Wide Web и других электронных публикаций.

– Adobe Illustrator - один из наиболее универсальных профессиональных пакетов векторной графики, позволяющий создавать художественные и технические иллюстрации, а также разрабатывать дизайн печатных

– Adobe Streamline - трассирование (векторизация) растровых изображений мультимедийных компонентов.

Продукты фирмы Macromedia:

– Flash - лидер по созданию мультимедиа-продуктов.

– FreeHand - функциональный аналог Adobe Illustrator и CorelDRAW.

– Director - инструментарий, позволяющий создавать мультимедиа-продукты или преобразовывать готовое мультимедийное содержимое для распространения через Интернет.

Продукт фирмы Microsoft

– PowerPoint - инструмент подготовки и проведения презентаций.

– Adobe Premiere - программный пакет, предлагающий набор средств для работы с видео- и аудиоматериалами.

– Speed Razor Mach III - программное обеспечение для нелинейного видеомонтажа, работающее совместно с Perception Video Disk Recorder (фирма Digital Processing Systems, Inc.).

– VideoStudio Pro - программа с интуитивно понятным интерфейсом и средствами для редактирования видеофайлов. Разработанная Ulead уникальная пошаговая методика дает пользователям возможность легко вставлять титры, специальные эффекты, звук и музыкальное сопровождение, создавая выразительные и увлекательные видеофильмы.

Средства создания и обработки анимации, 2D, 3D – графики

– GIF Animator. Программа для создания и редактирования анимации. В отличие от видео, при анимации для каждого изображения отдельно задается момент, место и длительность появления изображения на экране. Так как изображения могут иметь произвольные размеры, то можно создавать сложные композиции, собирая их из отдельных частей.

– Animation Shop. Анимационная программа фирмы Jasc Software. К одному или нескольким статическим изображениям можно применить различные эффекты и переходы для создания анимации. Поддерживает различные графические форматы изображений.

– Elastic. Хорошим дополнением к анимационным программам является пакет Elastic Reality фирмы ADSG, предназначенный для двумерных деформаций и превращений (морфинга) кино и видеоматериала. Пакет работает с замкнутыми и незамкнутыми кривыми, позволяет управлять степенью прозрачности, сглаживать их контуры и применять спецэффекты

–  3D Studio MAX. Программа обеспечивает весь процесс создания трехмерного фильма, реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет создавать разнообразные световые эффекты и др.

Виртуальная реальность - это мультимедиа-средства, предоставляющие звуковую, зрительную, тактильную, а также другие виды информации и создающие иллюзию вхождения и присутствия пользователя в объемном виртуальном пространстве, перемещения пользователя относительно объектов этого пространства в реальном времени.

Системы «виртуальной реальности» обеспечивают прямой «непосредственный» контакт человека со средой. В наиболее совершенных из них пользователь может дотронуться рукой до объекта, существующего лишь в памяти компьютера, надев начиненную датчиками перчатку. В других случаях можно «перевернуть» изображенный на экране предмет и рассмотреть его с обратной стороны.

Использование подобных мультимедиа-средств изменяет механизм восприятия и осмысления получаемой информации. При работе с системами «виртуальной реальности» происходит качественное изменение восприятия информации. В этом случае восприятие осуществляется не только с помощью зрения и слуха, но и с помощью осязания и даже обоняния.

Осмысление информации, предоставляемой системами «виртуальной реальности», может быть уже не только теоретическим, но и практическим, а именно: наглядно-образным или наглядно-действенным.

Предыдущая567891011121314151617181920Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: