Компьютерная графика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Пермский государственный медицинский университет имени

академика Е.А. Вагнера

Министерства здравоохранения Российской Федерации»

Кафедра медицинской информатики и управления в медицинских системах

Компьютерная графика

УИРС выполнила

Студентка 2 курса

ЛД - 16-17 гр.

Казакова Алена Игоревна

Научный руководитель:

Зубов Евгений Викторович

Пермь 2017

Содержание

Введение

1. Двумерная графика

1.1 Фрактальная графика

1.2 Растровая графика

1.3 Векторная графика

2. Основные элементы компьютерной графики

Заключение

Список литературы

Введение

компьютер изображение фрактальный векторный

Компьютерная графика (также машинная графика) -- область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Актуальность работы. Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся: графический интерфейс пользователя; спецэффекты, визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография; цифровое телевидение, всемирная паутина, видеоконференции и т.д.

Цель работы состоит в изучении элементов компьютерной графики.

Достижение цели предполагает решение ряда задач:

1) рассмотреть виды компьютерной графики;

2) изучить основные элементы компьютерной графики.

Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе -- это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом, визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

1. Двумерная графика

Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

1.1 Фрактальная графика

Среди всех картинок, которые может создавать компьютер, лишь немногие могут поспорить с фрактальными изображениями, когда идет речь о подлинной красоте. У большинства из нас слово «фрактал» вызывает в памяти цветные завитушки, формирующие сложный, тонкий и составной узор. Но на самом деле этот термин имеет гораздо более широкий смысл.

Фрактал -- объект, обладающий бесконечной сложностью, позволяющий рассмотреть столько же своих деталей вблизи, как и издалека. Земля - классический пример фрактального объекта. Из космоса она выглядит как шаp. Если приближаться к ней, мы обнаружим океаны, континенты, побережья и цепи гор. Будем рассматривать горы ближе - станут видны еще более мелкие детали: кусочек земли на поверхности горы в своем масштабе столь же сложный и неровный, как сама гора. И даже еще более сильное увеличение покажет крошечные частички грунта, каждая из которых сама является фрактальным объектом.

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.

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. 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 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.

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.

1.2 Растровая графика

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. Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок.

Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение. В цифровом мире компьютерных изображений термином пиксель обозначают несколько разных понятий. Это может быть отдельная точка экрана компьютера, отдельная точка напечатанная на лазерном принтере или отдельный элемент растрового изображения. Эти понятия не одно и тоже, поэтому чтобы избежать путаницы следует называть их следующим образом: видео пиксель при ссылке на изображение экрана компьютера; точка при ссылке на отдельную точку, создаваемую лазерным принтером. Существует коэффициент прямоугольности изображения, который введен специально для изображения количества пикселей матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали.

Возвращаясь к аналогии с листом бумаги можно заметить, что любой растровый рисунок имеет определенное количество пикселей в горизонтальных и вертикальных рядах. Существуют следующие коэффициенты прямоугольности для экранов: 320х200, 320х240, 600х400, 640х480,800х600 и др. Этот коэффициент часто называют размером изображения. Произведение этих двух чисел дает общее количество пикселей изображения. Существует также такое понятие как коэффициент прямоугольности пикселей. В отличие от коэффициента прямоугольности изображения он относится к реальным размерам видео пиксель и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтому на разных компьютерных системах принимает различные значения. Цвет любого пикселя растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов, используемых компьютером для любого пикселя, называется битовой глубиной пикселя. Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселей имеющих только два возможных цвета черный и белый, и поэтому изображения, состоящие из пикселей этого вида, называются однобитовыми изображениями. Число доступных цветов или градаций серого цвета равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе.

Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами. Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть организованы и фиксированы компьютером. Размеры изображения и расположение пикселей в нем это две основных характеристики, которые файл растровых изображений должен сохранить, чтобы создать картинку. Даже если испорчена информация о цвете любого пиксель и любых других характеристиках компьютер все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет знать, как расположены все его пиксели. Пиксель 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, пиксель 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 пиксель за пикселей. 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 пикселей в любой строке. Этот метод сжимает данные, которые используют растровые изображения. В этом случае они занимают меньше памяти компьютера.

1.3 Векторная графика

Векторная графика -- это изображения, созданные (а точнее будет сказать -- описанные), при помощи математических формул. В отличии от растровой графики, которая является ни чем иным, как массивом цветных пикселов и хранит информацию для каждого из них, векторная графика -- это набор графических примитивов, описанных математическими формулами. Например, для того, чтобы построить прямую на экране нужно всего лишь знать координаты точек начала и конца прямой и цвет, которым ее нужно нарисовать, а для построения многоугольника -- координаты вершин, цвет заливки и, если необходимо, цвет обводки.

Благодаря такому способу представления графической информации, векторное изображение можно не только масштабировать как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, но так же можно перегруппировывать примитивы и менять их форму для создания совершенно других изображений из тех же объектов.

Достоинства векторной графики:

Небольшой размер файла при относительно несложной детализации изображения.

Возможность неограниченного масштабирования без потери качества.

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

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

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

Управление толщиной линий при любом масштабе изображения.

Недостатки векторной графики:

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)

Трудность передачи фотореалистичного изображения (следует из 1_го недостатка)

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.

Форматы векторной графики

EPS (Encapsulated PostScript) -- формат, созданный компанией Adobe на основе языка PostScript. Eps, соответствующий разным версиям программы Adobe Illustrator, описывается разными версиями языка PostScript, этим объясняется несовместимость более поздних версий с другими программами. Для 8_ой версии это PostScript3. Именно в формате eps-8 все фотобанки принимают векторные иллюстрации. При сохранении в формате eps-8 из более поздних версий программы все эффекты, которые были не доступны в Illustrator8 становятся растровыми объектами. Не смотря на то, что по стандарту EPS может содержать растр, фотобанки такую иллюстрацию не примут. Так что если вы создаете изображения для последующей продажи на фотобанках -- будьте внимательнее при использовании эффектов. Самая «популярная» ошибка начинающего стокера -- использование прозрачности. С недавнего времени фотобанк ShutterStock.com стал принимать eps 10_ой версии. В этой версии прозрачность поддерживается.

Eps -- самый универсальный формат для векторной графики, так как поддерживается большинством векторных редакторов (в основном более ранние версии, как раз такие как eps8).

AI(Adobe Illustrator) -- формат, создаваемый по умолчанию программой Adobe Illustrator. Более поздние версии программы не совместимы с предшествующими, но, тем не менее, имеется возможность сохранения файла для более ранних версий. Текущая версия -- Adobe Illustrator CS5.

CDR -- «родной» формат программы Corel Draw. Формат не совместим с другими редакторами векторной графики и со своими же более ранними версиями.

SVG(Scalable Vector Graphics) -- формат, созданный на основе языка разметки XML. Формат создавался в том числе для публикации векторной графики в сети Интернет, является открытым стандартом, поддерживает анимацию. Достоинством svg является еще и то, что это по сути текстовый файл и при наличии определенных навыков возможно редактировать и создавать векторное изображение в обычном текстовом редакторе. Кроме того, существует так же возможность управлять атрибутами изображения при помощи таблицы стилей CSS. Из фотобанков векторную графику в формате SVG продает только Fotolia (Фотолия). Бесплатный векторный редактор Inkscape по умолчанию сохраняет файл в этом формате.

SWF -- flash-формат, предназначенный для просмотра анимации. Для просмотра требуется установка программы Flash Player

FLA -- flash- формат программы Adobe Flash, предназначенный для создания анимированной графики. При помощи языка Action Script возможно создание управляемых сценариев. Обычно готовый ролик из fla экспортируют в формат swf

2. Основные элементы компьютерной графики

В компьютерной графике с понятием разрешения обычно происходит больше всего путаницы, поскольку приходится иметь дело сразу с несколькими свойствами разных объектов. Следует четко 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 Ї это «свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows)». Разрешение экрана измеряется в пикселах (точках) и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком.

Разрешение принтера Ї это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Оно измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

Разрешение изображения Ї это свойство самого изображения. Оно тоже измеряется в точках на дюйм Ї dpi и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Так, для просмотра изображения на экране достаточно, чтобы оно имело разрешение 72 dpi, а для печати на принтере Ї не меньше как 300 dpi. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения.

Физический размер изображения определяет размер рисунка по вертикали (высота) и горизонтали (ширина) может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом. Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает. Если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет.

Физический размер и разрешение изображения неразрывно связаны друг с другом. При изменении разрешения автоматически меняется физический размер. При работе с цветом используются понятия: глубина цвета (его еще называют цветовое разрешение) и цветовая модель.

Для кодирования цвета пиксела изображения может быть выделено разное количество бит. От этого зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно. Чем больше длина двоичного кода цвета, тем больше цветов можно использовать в рисунке. Глубина цвета Ї это количество бит, которое используют для кодирования цвета одного пиксела. Для кодирования двухцветного (черно-белого) изображения достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пиксела. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков. Два байта (16 битов) позволяют определить 65536 различных цветов. Этот режим называется High Color. Если для кодирования цвета используются три байта (24 бита), возможно одновременное отображение 16,5 млн цветов. Этот режим называется True Color. От глубины цвета зависит размер файла, в котором сохранено изображение [2; с. 133].

Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветовых оттенков образуется смешением основных цветов. Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK, НSB.

Наиболее проста для понимания и очевидна модель RGB. В этой модели работают мониторы и бытовые телевизоры. Любой цвет считается состоящим из трех основных компонентов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Эти цвета называются основными.

Цветовую модель CMYK «используют для подготовки не экранных, а печатных изображений. Они отличаются тем, что их видят не в проходящем, а в отраженном свете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает» [5; с. 234]. Совмещение трех основных красок поглощает почти весь падающий свет, и со стороны изображение выглядит почти черным. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а наоборот, к ее уменьшению.

Некоторые графические редакторы позволяют работать с цветовой моделью HSB. Если модель RGB наиболее удобна для компьютера, а модель CMYK Ї для типографий, то модель HSB наиболее удобна для человека. Она проста и интуитивно понятна. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя эти три компонента, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями. Оттенок цвета указывает номер цвета в спектральной палитре. Насыщенность цвета характеризует его интенсивность Ї чем она выше, тем «чище» цвет. Яркость цвета зависит от добавления чёрного цвета к данному Ї чем её больше, тем яркость цвета меньше.

Любое графическое изображение сохраняется в файле. Способ размещения графических данных при их сохранении в файле определяет графический формат файла. Различают форматы файлов растровых изображений и векторных изображений.

Растровые изображения сохраняются в файле в виде прямоугольной таблицы, в каждой клеточке которой записан двоичный код цвета соответствующего пикселя. Такой файл хранит данные и о других свойствах графического изображения, а также алгоритме его сжатия.

Векторные изображения сохраняются в файле как перечень объектов и значений их свойств Ї координат, размеров, цветов и тому подобное.

Как растровых, так и векторных форматов графических файлов существует достаточно большое количество. Среди этого многообразия форматов нет того идеального, какой бы удовлетворял всем возможным требованиям. Выбор того или другого формата для сохранения изображения зависит от целей и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность воссоздания цветов, то преимущество отдают одному из растровых форматов. Логотипы, схемы, элементы оформления целесообразно хранить в векторных форматах. Формат файла влияет на объем памяти, который занимает этот файл. Графические редакторы позволяют пользователю самостоятельно избирать формат сохранения изображения.

Итак, рассмотрим наиболее распространенные графические форматы, использующиеся для создания изображений, фотографий, анимаций и т.д.

BMP (Windows Device Independent Bitmap). Родной формат Windows. Он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под управлением этой операционной системы. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows и, на этом область его применения заканчивается. Использование BMP не для нужд Windows является достаточно распространенной ошибкой.

GIF (CompuServe Graphics Interchange Format). Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году (GlF87a) фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности и анимации. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы).

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Строго говоря JPEGoм называется не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, а на разнице между пикселями [3; с. 185].

Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается, тем ниже качество. Используя JPEG можно получить файл в 1-500 раз меньше, чем BMP! Первоначально в спецификациях формата не было CMYK, Adobe добавила поддержку цветоделения, однако CMYK JPEG во многих программах делает проблемы.

Для того, чтобы успешно справиться с обработкой графической информации на компьютере, используя мышь, создано множество специальных программ. Графические редакторы незаменимы, когда требуется нарисовать или подправить картинку. С помощью программ корректировки и преобразования фотографий можно добавить фотографии яркость или контрастность, отретушировать ее, создать те или иные эффекты (например, добиться иллюзии, что изображение находится на шаре или отчеканено на металле Ї и т.п.).

Заключение

Все области применения - будь то инженерная и научная, бизнес и искусство - являются сферой применения компьютерной графики. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает соблазнительную базу для капиталовложений и роста. Неизвестно как долго продлиться тенденция удвоения капиталовложений, особенно под воздействием цен, однако ожидается устойчивое 10% ежегодное повышение в последующие 5 лет. Сегодня особенно привлекательны для инвесторов компании, специализирующиеся на графических интерфейсах пользователя, объектно-ориентированных программах, виртуальной реальности и программном обеспечении параллельных процессов.

Виды компьютерной графики отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Способность фрактальной графики моделировать образы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций. Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены для создания иллюстраций на основе простейших геометрических элементов. Растровую графику применяют при разработке мультимедийных проектов.

Следует четко различать: разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и разрешение изображения. Для кодирования цвета пиксела изображения может быть выделено разное количество бит. От этого зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно.

Для того, чтобы успешно справиться с обработкой графической информации на компьютере, используя мышь, создано множество специальных программ.

Список литературы

1. 3. Петрович, С.А., Кущенко, С.В. Основы компьютерной графики / С.А. Петрович, С.В. Кущенко. -- М.: Диалектика, 2006. -- 544 с.\

2. Энджел, Э. Интерактивная компьютерная графика / Э. Энджел. -- М.: Вильямс, 2011. -- 592 с.

3. Никулин, Е.А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики / Е.А, Никулин. -- СПб: БХВ-Петербург, 2006. -- 560 с.

4. Информатика: Практикум по технологии работы на компьютере/од редакцией И.В. Макаровой. - 2-е издание. - М.: «Финансы и статистика», 1998.

5. Андреев О.Ю., Музыченко В.Л. Самоучитель компьютерной графики. Учебное пособие. - М.: Триумф, 2007. - 432 с.

6. Летин А., Пашковский И., Летина О. Компьютерная графика. Гриф МО РФ. - М.: Форум, 2007. - 256 с.

7. Божко А., Жук Д.М., Маничев В.Б. Компьютерная графика. Гриф УМО ВУЗов России. - М.: Издательство «МГТУ им. Баумана», 2007. - 392 с.

8. Херн, Д., Бейкер, М.П. Компьютерная графика и стандарт OpenGL / Д. Херн, М.П. Бейкер. -- М.: Вильямс, 2005. -- 1168 с.

9. https://htmlacademy.ru/blog/111-rastr-vector

10. http://www.nvtc.ee/e-oppe/Ija/b_4_2/_4.html

11. http://www.viktoriastar.ru/stati-i-obzori/kompiyternaia-grafika.html

12. http://imped.vgts.ru/polygraph/vektor.html

13. http://informatika.edusite.ru/lezione9_29.htm

14. http://esate.ru/article/cg/dizayn/osnovnye_vidy_kompyuternoy_grafiki

15. https://vsetreningi.ru/schools/kompjuternaya_grafika

Размещено на Allbest.ru