Основы компьютерной графики

Способы представления графических изображений

Одним из популярных направлений использования персонального компьютера является компьютерная графика.

Компьютерная графика представляет собой одну из современных технологий создания различных изображений с помощью аппаратных и программных средств компьютера, отображения их на экране монитора и затем сохранения в файле или печати на принтере.

Существует два способа представления графических изображений: растровый и векторный. Соответственно различают растровый и векторный форматы графических файлов, содержащих информацию графического изображения. Растровые форматы хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов, оттенков и форм. Это такие изображения, как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматы хорошо применимы для чертежей и изображений с простыми формами, тенями и окраской.

Основные понятия растровой графики

Наиболее просто реализовать растровое представление изображения. Суть этого метода заключается в следующем. Картон и стена, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены.

Итак, под растровымрисунком (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселей) различных цветов или оттенков.

Таким образом, растровое изображение напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена, например, черным или белым цветом, в совокупности формируя рисунок, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Формирование растрового рисунка

Основным элементом растрового изображения является пиксель (pixel от PICture ELement). В компьютерной графике термин «пиксель», может обозначать разные понятия: наименьший элемент изображения на экране компьютера; отдельный элемент растрового изображения; точка изображения, напечатанного на принтере.

Поэтому на практике эти понятия часто обозначают так:

- пиксель - отдельный элемент растрового изображения;

- видеопиксель - наименьший элемент изображения на экране монитора;

- точка (dot) - наименьший элемент, создаваемый принтером.

Цвет каждого пикселя растрового изображения – черный, белый, серый или из спектра – запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов используется для этого, тем большее количество оттенков цветов для каждого пикселя можно получить. Число битов, используемых компьютером для хранения информации о каждом пикселе, называется битовой глубиной или глубиной цвета.

Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселей, имеющих два возможных цвета – черный и белый. Для хранения такого типа пикселя требуется один бит в памяти компьютера. Поэтому изображения, состоящие из пикселей такого вида, называются 1-битовыми изображениями. Для отображения большего количества цветов используется больше битов информации. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цвета каждого пикселя равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых для каждого пикселя. 24 бита обеспечивают более 16 миллионов цветов. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так как такого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить всевозможные цвета, которые способен различать человеческий глаз.

Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют сканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, в большей мере ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В сети Интернет применяются в основном только растровые иллюстрации.

Основной недостаток растровой графики состоит в том, что каждое изображение для своего хранения требует большее количество памяти. Простые растровые картинки, такие как копии экрана компьютера или черно-белые изображения, занимают до нескольких сотен килобайтов памяти. Детализированные высококачественные рисунки, например, сделанные с помощью сканеров с высокой разрешающей способностью, занимают уже десятки мегабайтов. Для разрешения проблемы обработки объемных (в смысле затрат памяти) изображений используются два основных способа:

· Увеличение памяти компьютера.

· Сжатие изображений.

Другим недостатком растрового представления изображений является снижение качества изображений при масштабировании.

Основные понятия векторной графики

Векторное представление, в отличие от растровой графики, определяет описание изображения в виде линий и фигур, возможно, с закрашиваемыми областями, заполняемыми сплошным или градиентным цветом. Хотя это может показаться более сложным, чем использование растровых массивов, но для многих видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

В векторной графике для описания объектов используются комбинации компьютерных команд и математических формул для описания объектов. Это позволяет различным устройствам компьютера, таким как монитор и принтер, при рисовании этих объектов вычислять, где необходимо помещать реальные точки.

Векторную графику часто называют объектно–ориентированной или чертежной графикой. Имеется ряд простейших объектов, или примитивов, например, эллипс, прямоугольник, линия. Эти примитивы и их комбинации используются для создания более сложных изображений.

Векторные рисунки могут включать в себя и растровые изображения. Кроме того, векторные и растровые изображения могут быть преобразованы друг в друга – в этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы.

Все графические примитивы обладают свойствами. К этим свойствам относятся: форма объекта, его толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т. п.). Замкнутые объекты имеют свойство заполнения. В качестве заполнителя может быть выбрана цветная краска или регулярная текстура. Текстура – специальное отображение поверхности в векторном формате, имитирующее различные виды поверхности. Иногда в качестве заполнителя используют заготовленные растровые изображения, называемые картой.

Примитив строится вокруг его узлов. Например, простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые являются ее узлами. Координаты узлов задаются относительно координатной системы макета. Каждому узлу приписывается группа параметров, в зависимости от типа примитива, которые задают его геометрию относительно узла. Например, окружность задается одним узлом и одним параметром – радиусом. Такой набор параметров, которые играют роль коэффициентов и других величин в уравнениях и аналитических соотношениях объекта данного типа, называют аналитической моделью примитива. Нарисовать примитив – значит, построить его геометрическую форму по его параметрам согласно его аналитической модели.

Векторная графика в сравнении с растровой имеет следующие преимущества:

· Простота масштабирования изображения без ухудшения его качества.

· Независимость объема памяти, требуемой для хранения изображения, от выбранной цветовой модели.

Недостатком векторных изображений является их некоторая искусственность, заключающаяся в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов.

Растровая и векторная графика существуют не обособлено друг от друга. Так, векторные рисунки могут включать в себя и растровые изображения. Кроме того, векторные и растровые изображения могут быть преобразованы друг в друга - в этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы. Достаточно просто выполняется преобразование векторных изображений в растровые. Не всегда осуществимо преобразование растровой графики в векторную, так как для этого растровая картинка должна содержать линии, которые могут быть идентифицированы программой конвертации (типа CorelTrace в составе пакета CorelDraw) как векторные примитивы. Это касается, например, высококачественных фотографий, когда каждый пиксель отличается от соседних.