Обзор и сравнительный анализ графических редакторов. Современные средства компьютерной графики

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде 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 компьютерных систем, в особенности персональных.

Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники.

Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступные для человеческого восприятия на экране монитора или в виде копии на внешнем носителе (бумага, ткань, кинопленка).

На сегодняшний день компьютеры и компьютерная графика неотъемлемая часть жизни современного общества. Мы нечего не можем сделать без помощи компьютера.

Визуальное представление данных находит свое применение в различных сферах человеческой деятельности: в медицине (компьютерная томография), в научных исследованиях (визуализация строения вещества, векторных поле), проектирование (автоматизация проектно-расчетных работ и конструкторских разработок).

В своей работе я более подробно рассмотрю виды графических редакторов и проведу сравнительный анализ, так же я рассмотрю современные средства компьютерной графики.

1. Общие сведения о компьютерной графике

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.

Компьютерная графика - это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ, другими словами это раздел информатики, который занимается проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликаций) на компьютере.

В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:

· представление изображения в компьютерной графике;

· подготовка изображения к визуализации;

· создание изображения;

· осуществление действий с изображением.

Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера. Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения. Интерактивная компьютерная графика-это так же 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. Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.

Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера. Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа.

Области применения компьютерной графики.

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации.

Рассмотрим следующие области применения компьютерной графики:

Научная графика.

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства-графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика.

Используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная или рекламная графика.

Художественная или рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео уроки, видео презентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и “движущих картинок”. Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа.

Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

Виды компьютерной графики.

Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают всего три вида компьютерной графики. Это растровая, векторная, фрактальная и трехмерная. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Векторная графика-метод построения изображений, в котором используются математические описания для определения положения, длинны и координаты выводимых линий. В данном случае вектор-это набор данных, характеризующих какой-либо объект.

Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньше степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах.

Растровая графика - это графика, в которой изображение представляется, двумерным массивом точек, которые являются элементами растра. Растр - это двумерный массив точек (пикселей), упорядоченных в строки и столбцы, предназначенных для представления изображения путем окраски каждой точки в определенный цвет. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создаются в ручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии.

Фрактальная графика - напрямую связана с векторной графикой. Как и векторная, фрактальная графика вычисляема, но отличается тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому нечего, кроме формул, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину.

Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности.

2. Растровая графика

Термин растровая графика достаточно очевиден, если усвоить понятия, относящиеся к растровым изображениям. Растровое изображение представляет собой мозаику из очень мелких элементов-пикселей. Растровый рисунок похож на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена определенным цветом, и в результате такой раскраски формируется изображение.

Принцип растровой графики чрезвычайно прост. Он был изобретен и использован людьми за много веков до появления искусства, как мозаика, витражи, вышивка. В любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов. Во-вторых, это рисование “по клеточкам” - эффективный способ переноса изображения с подготовленного картона на стену, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены.

Пиксель - основной элемент растровых изображений. Пиксель-это самая маленькая единица цифрового изображения. Каждый пиксель имеет определенное положение и цвет. Хранение каждого пикселя требует определенного количества битов информации, которое зависит от количества цветов в изображении.

Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения, чем выше, тем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение.

Во-вторых, чем больше количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации).

При редактировании растровой графики, редактируются пиксели, а не линии. Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть фиксированы компьютером. Самыми важными являются: разрешение, размер и цветовая модель. Размер измеряется в Мп (мегапиксель), а разрешение измеряется в dpi или ppi.

Разрешение - это количество пикселей на дюйм для описания отображения на экране или количество точек на дюйм для печати изображений. Существует несколько устоявшихся правил: для публикации изображения в сети Интернет используют разрешение 72 ppi, а для печати 300 dpi (ppi). Требования микростоков к изображениям 300 dpi, так как многие работы покупают именно для печати.

Размер - общие количество пикселей в изображении, обычно измеряется в Мп (мегапикселях), это всего лишь результат умножения количества пикселей по высоте на количество пикселей по ширине изображения. То есть, если величина фотографии 2000х1500, то ее размером будет 2000*1500=3 000 000 пикселей или 3Мп.

Цветовая модель - характеристика изображения, описывающая его представление на основе цветовых каналов. Известно 4 цветовые модели:

RGB (красный, зеленый и синий каналы), CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный), LAB (“светлота”, красно-зеленый и сине-желтый), Grayscale (оттенки серого).

Растровое изображение зависит от глубины цвета и разрешения.

Глубина цвета.

Глубина цвета задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 и 32 бита. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле:

,

где I - глубина цвета.

Разрешающая способность экрана.

Графический режим вывода изображения на экран монитора определяется величиной разрешающей способности. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке должна хранится в видеопамяти компьютера.

Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшают качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи. Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, так как новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.

С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости.

Распространенные форматы растровой графики: .tif., .gif., .jpg., .png., .bmp.

Достоинства растровой графики.

1. Возможность воспроизведения изображения любого уровня сложности. Количество деталей, воспроизводимых, на изображении во многом зависит от количества пикселей.

2. Точная передача цветовых переходов.

3. Наличие множества программ для отображения и редактирования растровой графики. Абсолютное большинство программ поддерживают одинаковые форматы файлов растровой графики.

Недостатки растровой графики.

В файле растрового изображения запоминается информация о цвете каждого видео пикселя в виде комбинации битов. Бит - наименьший элемент памяти компьютера, который может принимать одно из двух значений: включено или выключено.

Простые растровые картинки занимают небольшой объем памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества требуют несколько мегабайт. Таким образом, для хранения растровых изображений требуется большой объем памяти.

Самым простым решением проблемы хранения растровых изображений является увеличение емкости запоминающих устройств компьютера.

Другой способ решения проблемы заключается в сжатии графических файлов, то есть использовании программ, уменьшающих размеры файлов растровой графики за счет изменения способа организации данных.

Растровое изображение после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Например, области однотонной закраски могут приобрести странный («муаровый») узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожиданно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечетким и ступенчатым, а закрашенные области могут быть искажены. Это значит, что растровые изображения имеют очень ограниченные возможности при масштабировании, вращении и других преобразованиях.

3. Векторная графика

Векторная компьютерная графика имеет на сегодняшний день очень широкую область применения в самых различных областях человеческой деятельности, начиная от рекламы на страницах газеты и заканчивая разработкой проектов в таком виде промышленности как космическая.

В векторной графике изображении строятся из простых объектов - прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей) и тому подобное, называемых примитивами. Из простых векторных объектов создаются различные рисунки. Линия - это элементарный объект векторной графики.

Векторное изображение можно сравнить с аппликацией, состоящей из кусочков цветной бумаги, наклеенных (наложенных) один на другой. Однако, в отличие от аппликации, в векторном изображении легко менять форму и цвет составных частей. Векторный графический объект включает два элемента: контур и его внутреннюю область, которая может быть пустой или иметь заливку в виде цвета, цветового перехода (градиента), или мозаичного рисунка. Контур может быть как замкнутым, так и разомкнутым. В векторном объекте он выполняет двойную функцию. Во-первых, с помощью контура можно менять форму объекта. Во-вторых, контур векторного объекта можно оформлять (тогда он будет играть роль обводки), предварительно задав его цвет, толщину и стиль линии.

При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества.

В основе векторной компьютерной графики лежит расчёт координат экранных точек, входящих в состав линии контура изображения, поэтому этот вид компьютерной графики называют вычисляемым. В основе векторной графики лежат математические представления о свойствах геометрических фигур (в основном этот процесс затрагивает расчёты, связанные с представлением линии). Векторная графика использует для построения изображений координатный способ.

Для её математического представления используются: точка, прямая, отрезок прямой, парабола, отрезок параболы, функция y=xі, кривая второго порядка, кривая третьего порядка, кривая Безье. Соподчинёнными для понятия линия являются: точка, конец кривой линии, управляющая линия касательная к кривой, изгиб кривой, маркер управляющей линии. Также как и линия, основным базовым понятием для векторной графики является объект.

Объектом называется любой графический элемент внутри векторного изображения, состоящий из отрезка прямой или кривой линии или замкнутого контура. При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления.

Векторное представление именно и заключается в описании элементов изображения математическими кривыми с указанием их цветов. Одним из примеров: красный эллипс на белом фоне будет описан всего двумя математическими формулами - прямоугольника и эллипса соответствующих цветов, размеров и местоположения. Еще одно преимущество векторной графики - качественное масштабирование в любую сторону. Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах.

Но, к сожалению, векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла.

Векторные графические изображения являются оптимальным средством хранения высокоточных графических объектов (чертежи, схемы и прочие), для которых имеет значение сохранение четких и ясных контуров.

Векторные графические изображения хранятся в памяти компьютера в виде графических примитивов и описывающих их математических формул.

Например, графический примитив точка задается своими координатами (Х, Y), линия - координатами начала (X1, Y1) и конца (X2, Y2), окружность - координатами центра (X, Y) и радиусом (R), прямоугольник - координатами левого верхнего угла (X1, Y1) и правого нижнего угла (X2, Y2) и так далее. Для каждого примитива задается также цвет.

Таким образом, векторная графика в основном «живет» созданием новых объектов, широко используется в дизайнерских проектах, в то время как растровая графика изначально создавалась и существует для обработки фотографий.

Распространенные форматы векторной графики: .ai., .cdr., .cmx., .eps.

Достоинства векторной графики:

1. Небольшой размер файла при относительно несложной детализации изображения.

2. Возможность неограниченного масштабирования без потери качества.

3. Возможность перемещения, вращения, растягивания, группировки и т.д. так же без потери качества.

4. Возможность позиционирования объектов по оси, перпендикулярной плоскости экрана (по оси z -- «выше», «ниже», «выше всех», «ниже всех»).

5. Возможность выполнения булевых преобразований над объектами -- сложение, вычитание, пересечение, дополнение.

6. Управление толщиной линий при любом масштабе изображения.

Недостатки векторной графики.

1. Большой размер файла при сложной детализации изображения. (Бывают случаи, что из_за множества мелких сложных деталей размер векторного изображения гораздо превышает размер его растровой копии).

2. Трудность передачи фотореалистичного изображения (следует из 1_го недостатка).

3. Проблемы совместимости программ, работающих с векторной графикой, при этом не все программы открывают (или корректно отображают) даже «общепринятые» форматы (такие как eps), созданные в других редакторах.

4. Фрактальная графика

Последней из рассматриваемых видов компьютерной графики - это фрактальная графика.

Вы, наверное, часто видели довольно хитроумные картины, на которых непонятно что изображено, но все равно необычность их форм завораживает и приковывает внимание. Как правило, это хитроумные формы не поддающиеся, казалось бы, какому-либо математическому описанию. Вы, к примеру, видели узоры на стекле после мороза или, к примеру, хитроумные кляксы, оставленные на листе чернильной ручкой, так вот что-то подобное вполне можно записать в виде некоторого алгоритма, а, следовательно, доступно объясниться с компьютером.

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 и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом 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.

Классификация фракталов:

1. Геометрические фракталы.

2. Алгебраические фракталы.

3. Стохастические фракталы.

Геометрические фракталы.

Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов получается путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется "затравка" - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал.

Далее к этой "затравке" применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил. С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и если мы проведем (по крайней мере, в уме), бесконечное количество преобразований - получим геометрический фрактал.

Классические примеры геометрических фракталов - Снежинка Коха, Треугольник Серпинского, Драконова ломаная.

Алгебраические фракталы.

Свое название они получили за то, что их строят, на основе алгебраических формул иногда весьма простых. Методов получения алгебраических фракталов несколько. Один из методов представляет собой многократный (итерационный) расчет функции:

Zn+1=f(Zn),

где Z - комплексное число, а f некая функция. Расчет данной функции продолжается до выполнения определенного условия. И когда это условие выполнится - на экран выводится точка. При этом значения функции для разных точек комплексной плоскости может иметь разное поведение:

· С течением времени стремится к бесконечности.

· Стремится к 0.

· Принимает несколько фиксированных значений и не выходит за их пределы.

· Поведение хаотично, без каких либо тенденций.

Стохастические фракталы.

Типичный представитель данного класса фракталов "Плазма". Для ее построения возьмем прямоугольник и для каждого его угла определим цвет. Далее находим центральную точку прямоугольника и раскрашиваем ее в цвет равный среднему арифметическому цветов по углам прямоугольника плюс некоторое случайное число. Чем больше случайное число - тем более "рваным" будет рисунок. Если мы теперь скажем, что цвет точки это высота над уровнем моря - получим вместо плазмы - горный массив. Именно на этом принципе моделируются горы в большинстве программ. С помощью алгоритма, похожего на плазму строится карта высот, к ней применяются различные фильтры, накладываем текстуру и пожалуйста, фотореалистичные горы готовы.

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, 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, как вид компьютерной графики двадцать первого века получила широкое распространение не так давно.

Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию.

Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся перспективных видов компьютерной графики.

Достоинства фрактальной графики:

1. Получение оригинальных иллюстраций;

2. Использование для моделирования реальных процессов.

Недостатки фрактальной графики:

1. Сложность программирования;

2. Непредсказуемость результата.

5. Трехмерная графика

Трехмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объемных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, а также в науке и промышленности.

Понятие трехмерной, или 3D графики никак не отнесешь к новинкам. Однако именно в последние годы с ним плотно столкнулись рядовые показатели. С взрывным ростом мощности персональных компьютеров, с совершенствование графических плат появилась возможность широко использовать эту технологию.

Этот вид компьютерной графики вобрал в себя очень много из векторной, а также из растровой компьютерной графики. Применяется она при разработке дизайн - проектов интерьера, архитектурных объектов, в рекламе, при создании обучающих компьютерных программ, видеороликов, наглядных изображений деталей и изделий в машиностроении и др. Трёхмерная компьютерная графика позволяет создавать объёмные трёхмерные сцены с моделированием условий освещения и установкой точек зрения.

Для изучения приёмов и средств композиции, таких как передача пространства, среды, светотени, законов линейной, воздушной и цветовой перспективы здесь очевидны преимущества этого вида компьютерной графики над векторной и растровой графикой. В трехмерной графике изображения (или персонажи) моделируются и перемещаются в виртуальном пространстве, в природной среде или в интерьере, а их анимация позволяет увидеть объект с любой точки зрения, переместить в искусственно созданной среде и пространстве, разумеется, при сопровождении специальных эффектов.

Трёхмерная компьютерная графика, как и векторная, является объектно-ориентированной, что позволяет изменять как все элементы трёхмерной сцены, так и каждый объект в отдельности. Этот вид компьютерной графики обладает большими возможностями для поддержки технического черчения. С помощью графических редакторов трёхмерной компьютерной графики, например Autodesk 3D Studio, можно выполнять наглядные изображения деталей и изделий машиностроения, а также выполнять макетирование зданий и архитектурных объектов, изучаемых в соответствующем разделе архитектурно-строительного черчения.

Наряду с этим может быть осуществлена графическая поддержка таких разделов начертательной геометрии, как перспектива, аксонометрические и ортогональные проекции, т.к. принципы построения изображений в трёхмерной компьютерной графике частично заимствованы из них.

Для декоративно-прикладного искусства трёхмерная компьютерная графика предоставляет возможность макетирования будущих изделий с передачей фактуры и текстуры материалов, из которых эти изделия будут выполнены. Возможность увидеть с любых точек зрения макет изделия до его воплощения в материале позволяет внести изменения и исправления в его форму или пропорции, которые могут быть уже невозможны после начала работы (например, ювелирные изделия, декоративное литьё из металла и др.). В том же направлении трёхмерная компьютерная графика может быть использована для поддержки скульптуры, дизайна, художественной графики и др. Объёмная трёхмерная анимация и спецэффекты также создаются средствами трёхмерной графики. Создание учебных роликов для обучающих программ может стать основным применением этих возможностей трёхмерной компьютерной графики.

К средствам работы с трёхмерной графикой, относят такой графический редактор как 3D Studio MAX. Это один из самых известных трёхмерных редакторов, он часто используется при создании фильмов.

В трехмерной графике считается уникальная возможность создавать что-то необычное, новое, совершенное, уникальное: в мире 3D никто и никогда не видел отработанных схем, обычных эффектов. Только компьютерная графика на современном этапе может создавать что-то новое, спонтанное, то, что никто еще до вас не создавал - и место для экспериментов полностью безгранично.

Достоинства трехмерной графики.

ЗD-графика поможет в случаях, когда требуется встроить воображаемую сцену в изображение реального мира. Такая ситуация типична для задач архитектурного проектирования. В данном случае ЗD-графика устраняет необходимость создания макета и обеспечивает гибкие возможности синтеза изображения сцены для любых погодных условий и под любым углом зрения.

Можно представить и иную ситуацию: не воображаемый объект встраивается в реальный фон, а наоборот, изображение реального объекта встраивается в трехмерную сцену как ее составная часть. Такой способ использования ЗD-графики применяют, например, для создания виртуальных выставочных залов или галерей, по стенам которых развешаны изображения реальных картин.

Компьютерные игры - одна из наиболее широких и испытанных областей применения ЗD-графики. По мере совершенствования программных средств моделирования трехмерной графики, роста производительности и увеличения ресурсов памяти компьютеров виртуальные трехмерные миры становятся все более сложными и похожими на реальную действительность.

Трехмерная графика помогает и там, где выполнение реальной фотосъемки невозможно, затруднительно или требует значительных материальных затрат, а также позволяет синтезировать изображения событий, которые не встречаются в обыденной жизни. В программе 3D Studio MAX 3.0 имеются средства, позволяющие имитировать действие на трехмерные объекты таких физических сил, как тяжесть, трение или инерция, а также воспроизводить результаты столкновений объектов.

Главные аргументы в пользу 3D-графики появляются тогда, когда речь заходит о создании компьютерной мультипликации. 3D Studio MAX 3.0 позволяет существенно упростить работу над мультипликационными видеофрагментами за счет использования методов анимации трехмерных сцен.

Недостатки трехмерной графики.

Повышенные требования к аппаратной части компьютера, в частности к объему оперативной памяти, наличию свободного места на жестком диске и быстродействию процессора;

Необходимость большой подготовительной работы, но созданию моделей всех объектов сцены, которые могут попасть в поле зрения камеры, и по присвоению им материалов. Впрочем, эта работа обычно окупается полученным результатом.

Меньшую, чем при использовании двумерной графики, свободу в формировании изображения. Имеется в виду, что, рисуя картину карандашом на бумаге или средствами двумерной графики на экране компьютера, вы имеете возможность совершенно свободно искажать любые пропорции объектов, нарушать правила перспективы и т. п., если это необходимо для воплощения художественного замысла. В 3D Studio MAX 3.0 это также возможно, но требует дополнительных усилий;

Необходимость контроля над взаимным положением объектов в составе сцены, особенно при выполнении анимации. В связи с тем, что объекты трехмерной графики «бестелесны», легко допустить ошибочное проникновение одного объекта в другой или ошибочное отсутствие нужного контакта между объектами.

6. Сжатие изображений

Работая с компьютерной графикой, мы заинтересованы в том, чтобы уменьшить размер блока графических данных и таким образом поместить в заданное физическое пространство больше информации. Сжатие можно применять и для того, чтобы помещать большие изображения в блок памяти заданного размера.

Сжатие - это процесс, применяемый для уменьшения физического размера блока информации.

Основными техническими характеристиками процессов сжатия и результатов их работы являются:

· Степень сжатия (compress rating) или отношение (ratio) объемов исходного и результирующего потоков;

· Скорость сжатия - время, затрачиваемое на сжатие некоторого объема информации входного потока, до получения из него эквивалентного выходного потока;

· Качество сжатия - величина, показывающая, на сколько сильно упакован, выходной поток, при помощи применения к нему повторного сжатия, поэтому же или иному алгоритму.

Любой алгоритм реализующий сжатие или компрессию данных предназначен для снижения объема выходного потока информации в битах при помощи ее обратимого или необратимого преобразования. Поэтому, прежде всего, по критерию, связанному с характером или форматом данных, все способы сжатия можно разделить на две категории: обратимое и необратимое сжатие (с потерями и без потерь).

Обратимое сжатие.

Обратимое сжатие всегда приводит к снижению объема выходного потока информации без изменения его информативности, т.е. - без потери информационной структуры. Более того, из выходного потока, при помощи восстанавливающего или декомпрессирующего алгоритма, можно получить входной, а процесс восстановления называется декомпрессией или распаковкой, и только после процесса распаковки данные пригодны для обработки в соответствии с их внутренним форматом.

В обратимых алгоритмах кодирование как процесс можно рассматривать со статистической точки зрения, что еще более полезно, не только для построения алгоритмов сжатия, но и для оценки их эффективности.

Для всех обратимых алгоритмов существует понятие стоимости кодирования.

Под стоимостью кодирования понимается средняя длина кодового слова в битах. Избыточность кодирования равна разности между стоимостью и энтропией кодирования, а хороший алгоритм сжатия всегда должен минимизировать избыточность (напомним, что под энтропией информации понимают меру ее неупорядоченности.).

Фундаментальная теорема Шеннона о кодировании информации говорит, о том, что "стоимость кодирования всегда не меньше энтропии источника, хотя может быть сколь угодно близка к ней". Поэтому, для любого алгоритма, всегда имеется некоторый предел степени сжатия, определяемый энтропией входного потока.

Необратимое сжатие.

Под необратимым сжатием подразумевают такое преобразование входных данных, при котором невозможно получить точную копию исходных данных из архива, а можно получить только более или менее близкую к оригиналу копию. Часть информации, которая была в оригинале, безвозвратно теряется. Такие подходы и алгоритмы используются для сжатия, например, данных растровых графических файлов. При подобном подходе используются свойство структуры формата графического файла и возможность представить графическую картинку, приблизительно схожую по качеству отображения (для восприятия человеческим глазом), несколькими способами. Поэтому, кроме степени или величины сжатия в таких алгоритмах возникает понятие качества. А поскольку исходное изображение в процессе сжатия изменяется, качество характеризуется степенью соответствия исходного и результирующего изображения. Для графических файлов такое соответствие определяется визуально, хотя, конечно, для этого разработаны соответствующие интеллектуальные алгоритмы и программы. Данный подход реализован в популярных форматах представления видео - и фотоинформации, известных как JPEG- и JFIF-алгоритмы и JPG- и JIF-форматы файлов. Необратимое сжатие невозможно применять в тех областях, где требуется точное восстановление сжатой информации.

Методы сжатия без потерь используются в основном в научных и медицинских приложениях, когда потеря информации недопустима или сами шумы изображения являются главной информацией, например в системах оценки качества оптико-электронных систем.

7. Графические форматы

Графический формат -- это формат, в котором данные, описывающие графическое изображение, записаны в файле. Графические форматы разработаны для эффективной и логичной организации и сохранения графических данных в файл.

В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на собственные «специфические» форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в «стандартный» формат.

По типу хранимой графической информации различают следующие форматы:

· Растровые (TIFF, GIF, BMP, JPEG);

· Векторные (AI, CDR, FH7, DXF);

· Смешанные/универсальные (EPS, PDF)

Следует учитывать, что файлы практически любого векторного формата позволяют хранить в себе и растровую графику. Однако часто это приводит к искажениям в цветопередаче, поэтому если изображение не содержит векторных объектов, то предпочтительнее использовать растровые форматы.

Рассмотрим основные форматы графических файлов:

1. JPEG (или JPG).

Это самый распространенный формат графических файлов.

Строго говоря, JPEG'ом называется не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, а на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы в квадратах 9х9 пикселов. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Лишнюю, с его точки зрения, цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество.

JPEG'ом лучше сжимаются растровые картинки фотографического качества, чем логотипы или схемы - в них больше полутоновых переходов, среди однотонных заливок появляются нежелательные помехи.

Лучше сжимаются и с меньшими потерями изображения с высокой резолюцией (200-300 и более dpi), чем с низкой (72-150 dpi), т.к. в каждом квадрате 9х9 пикселов переходы получаются более мягкие за счет того, что их (квадратов) в файлах высокого разрешения больше. В JPEG'е следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит к новым потерям (отбрасыванию) данных и превращения исходного изображения в кашу.

Формат файла JPEG (Объединенная экспертная группа по фотографии, произносится “джейпег”) был разработан компанией C-Cube Microsystems как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета, например, получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми оттенками цвета. Самое большое отличие формата JPEG от других форматов состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями информации. Алгоритм сжатия без потерь так сохраняет информацию об изображении, что распакованное изображение в точности соответствует оригиналу. При сжатии с потерями приносится в жертву часть информации об изображении, чтобы достичь большего коэффициента сжатия. Распакованное изображение JPEG редко соответствует оригиналу абсолютно точно, но очень часто эти различия столь незначительны, что их едва можно обнаружить.

Процесс сжатия изображения JPEG достаточно сложен и часто для достижения приемлемой производительности требует специальной аппаратуры. Вначале изображение разбивается на квадратные блоки со стороной размером 8 пикселов. Затем производится сжатие каждого блока отдельно за три шага.

Коэффициент архивации в JPEG может изменяться в пределах от 2 до 200 раз. Широкое применение JPEG сдерживается тем, что он оперирует 24-битными изображениями. Поэтому для того, чтобы с приемлемым качеством посмотреть картинку на обычном мониторе в 256-цветной палитре, требуется применение соответствующих алгоритмов и, следовательно, определенное время. Кроме того, если имеющиеся у вас изображения, допустим, в 8-битном формате GIF перевести в 24-битный JPEG, а потом обратно в GIF для просмотра, то потеря качества произойдет дважды при обоих преобразованиях.

Достоинства:

· Минимальное время записи изображения на карту памяти и экономия места.

Недостатки:

· Не подходит для съемки качественных фотографий большого размера с множеством мелких деталей.

PNG.

PNG (произносится "Пинг") - растровый формат, предназначенный для хранения и передачи растровых изображений: черно-белых и альфа данных - до 16 бит, а цветных - до 48 бит (truecolor). Он использует прогрессивный метод сжатия без потерь, позволяет сохранять в файле палитру, текстовую информацию и обеспечивает прозрачность.

Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF. Формат PNG позиционируется, прежде всего, для использования в Интернете и редактирования графики.

PNG поддерживает три основных типа растровых изображений:

· Полутоновое изображение (с глубиной цвета 16 бит).

· Цветное индексированное изображение (палитра 8 бит для цвета глубиной 24 бит).

· Полноцветное изображение (с глубиной цвета 48 бит).

Формат PNG хранит графическую информацию в сжатом виде. Причём это сжатие производится без потерь, в отличие, например, от JPEG с потерями.

Формат PNG обладает более высокой степенью сжатия для файлов с большим количеством цветов, чем GIF, но разница составляет около 5-25 %, что недостаточно для абсолютного преобладания формата, так как небольшие 2-16-цветные файлы формат GIF сжимает с не меньшей эффективностью.

PNG является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и пересохранение изображения проходят без потерь в качестве. Также, в отличие, например, от TIFF, спецификация PNG не позволяет авторам реализаций выбирать, какие возможности они собираются реализовать. Поэтому любое сохранённое изображение PNG может быть прочитано в любом другом приложении, поддерживающем PNG.

CDR (CorelDRAW).

CDR -- векторное изображение или рисунок, созданный с помощью программы CorelDRAW. Данный формат файла разработан компанией Corelдля использования в собственных программных продуктах. CDR-файлы не поддерживаются многими программами, предназначенными для редактирования изображений. Однако файл можно экспортировать с помощью CorelDRAW в другие, более распространенные и популярные форматы изображений.

Достоинства:

· Лучше сохраняет в себе параметры и спецэффекты объектов.

Удобен сам программный комплекс - от сюда и популярность, в общем-то, нестабильного формата.

Недостатки:

· Изображения, созданные в новых версиях программного комплекса, не открываются (или некорректно открываются) в программах предыдущих версий.

· Практически несовместим с другими программными комплексами. В случаи использования конвертеров, файл «теряет» настройки элементов векторного изображения, искажается.

EPS.

Формат EPS (Encapsulated PostScript -- встроенный PostScript) был создан для сохранения объектно-ориентированной графики (содержащей векторные и растровые изображения, контуры, текстовые поля и др.), предназначенной для печати на так называемых PostScript-устройствах (принтерах).

PostScript представляет собой язык описания страниц документов (графики и текста), который понимают многие графические приложения и PostScript-принтеры. Главная его задача состоит в описании страниц, чтобы при выводе на печать они выглядели так же, как на экране. EPS является несколько упрощенной версией PostScript. Различные графические редакторы создают, вообще говоря, различные EPS-файлы. Photoshop считается одним из тех, которые это делают наилучшим образом. Файлы этого формата поддерживаются практически всеми редакторами и имеют расширение eps.

В формате EPS обычно сохраняют конечный результат работы, однако Adobe Photoshop Illustrator могут открывать EPS-файлы для редактирования. В EPS-файле вместе с изображением можно сохранить его эскиз, представляющий собой копию изображения с низким разрешением в формате TIFF, JPEG, PICT или WMF. Все остальные графические программы импортируют эскиз оригинального изображения, а при печати на PostScript-принтере подменяют его оригинальной информацией. На принтере, не поддерживающем PostScript, на печать выводится именно эскиз. При работе на платформе Macintosh сохраняйте эскизы в формате JPEG, чтобы обеспечить совместимость с приложениями Windows. При работе на платформе IBM PC, а также тогда, когда неизвестно, где будет использоваться файл, сохраняйте эскиз в формате TIFF. Графический редактор CorelDRAW предлагает для эскиза еще и векторный формат WMF. Заметим также, что программы фирмы Adobe для обмена между собой сохраняют данные в буфере обмена именно в формате EPS.

Файлы EPS обычно имеют большой объем. Например, они могут быть в несколько раз больше, чем аналогичные по содержанию TIFF-файлы с LZW-сжатием. Если вы собираетесь распечатать документ на принтере, который не относится к типу PostScript, то не рекомендуется использовать формат EPS. Для печати в этом случае лучше использовать формат TIFF или JPEG.

Изначально EPS разрабатывался как векторный формат, позднее появилась его растровая разновидность - Photoshop EPS.

Достоинства:

· На раз-два справляется с большими объемами данных для печати на PostScript-устройствах.

· Хорош для дизайнеров тем, что при изменении ширины/высоты изображения не меняется его качество.

· Из-за поддержки практически всеми векторными программами, используется для переноса данных на другие графические комплексы.

Недостатки:

· одностраничный, не поддерживает прозрачность, большой «вес» файла.

8. Графические редакторы

Для работы с графическими изображениями существует большое количество различных программ и пакетов, называемых графическими.

Графический редактор представляет собой программу или комплекс программ, которые используются с целью создания или редактирования изображения в двухмерной оси координат. Использование графического редактора возможно по средствам компьютера.

Все существующие виды графических редакторов направлены на создание изображения, с помощью штампов, линий, кривых, точек и т.д., а так же регенерацию исходного изображения. Графический редактор позволяет разворачивать, перемещать изображения, удалять, копировать некоторые элементы. Полученное новое изображение можно сразу же отправить на печать, сохранить.

Компьютерных графических редакторов сегодня существует достаточно большое количество. Однако все они делятся на 3 группы: растровые, векторные и гибридные.

1. Растровые графические редакторы. Такие редакторы, в основном, предназначены для того, чтобы с их помощью обрабатывать изображения. Сфера их применения достаточно обширна: дизайн, фотография, художественные искусства и многое другое. Изображения в таких редакторах представлены в виде большого количества точек. На сегодняшний момент эти редакторы являются наиболее популярными.

2. Векторные графические редакторы. Они используются для изображения так называемых геометрических примитивов (сплайны, многоугольники, точки и т.д. для представления изображений). Впрочем, такие редакторы куда менее популярны, чем всем известный photoshop.

3. Гибридные графические редакторы. Они представляют собой редактор, где можно использовать для создания и редактирования изображений как растровые, так и векторные инструменты. Правда, такие редакторы весьма сложны в использовании, в силу чего, очевидно, их популярность находится на относительно низком уровне.

Обзор графических редакторов.

Существует большое количество программ для работы с изображениями, двухмерной и трехмерной графикой, чертежами, как для профессионалов, так и для обычных пользователей. Ниже представлены наиболее популярные из них.

Графический редактор Paint.

Графический редактор Paint предназначен для работы с растровыми изображениями - изображениями, построенными из множества отдельных цветных точек (пикселов), подобно тому, как формируется изображение на экране монитора. Каждое растровое изображение имеет определённый размер по вертикали и горизонтали (измеряется в пикселях) и использует фиксированное заданное ранее число цветов.

...