Лекция 6 - Компьютерная графика
Лекция 6 Компьютерная графика
Содержание
Классификация компьютерной графики
Цветовые модели и палитры. Цветовые профили
Введение
Компьютерная графика (КГ) – это отрасль знаний, представляющая комплекс аппаратных и программных средств, используемых для формирования, преобразования и выдачи информации в визуальной форме на средства отображения ЭВМ, а также КГ - совокупность методов и приемов для преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление или графического представления в данные.
Конечным продуктом КГ является изображение (графическая информация). Изображение можно разделить на:
Рисунок – графическая форма изображения, в основе которой лежит линия.
Чертеж – это контурное изображение проекции некоторых реально существующих или воображаемых объектов.
Картина – тоновое черно-белое или цветное изображение.
Сферы применения компьютерной графики:
● САПР (системы автоматизированного проектирования);
● деловая графика (графическое представление данных);
● визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);
● медицина (компьютерная томография, УЗИ и т.д.);
● геодезия и картография (ГИС);
● полиграфия (схемы, плакаты, иллюстрации);
● сфера массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);
● кинематография (спецэффекты, компьютерная мультипликация);
● быт (компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).
Классификация компьютерной графики
Классифицировать КГ можно по следующим критериям:
В зависимости от организации работы графической системы
1. пассивная или не интерактивная – это организация работы графической системы, при которой дисплей используется только для вывода изображения под управлением программы без вмешательства пользователя. Графическое представление после получения не может быть изменено.
2. активная или интерактивная (динамическая, диалоговая) – это воспроизведение на экране изображений под управлением пользователя.
В зависимости от способа формирования изображения
1. 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.
2. векторная графика – метод построения изображений, в котором используются математические описания для определения положения, длины и координаты выводимых линий.
3. фрактальная графика – напрямую связана с векторной. Как и векторная, фрактальная графика вычисляемая, но отличается тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся.
4. 3D-графика.
В зависимости от цветового охвата различают черно-белую и цветную графики.
В зависимости от способов показа изображения
1. иллюстративная графика – способ изображения графического материала.
2. демонстративная графика – связана с динамическими объектами.
Технологии изображения динамических объектов используют три основных способа:
рисование – стирание;
смена кадров;
динамические образы.
Средства создания и обработки демонстративной графики подразделяют на анимацию (двухмерную и трехмерную), обработку и вывод живого видео и разнообразные специальные обработчики видеоматериалов.
В зависимости от способов применения
1. научная графика – вывод графиков на плоскости и в пространстве, решение систем уравнений, графическая интерпретация (MathCAD).
2. инженерная графика (системы автоматизации проектных работ) – различные применения в машиностроении, в проектировании печатных плат, архитектуре и т.д.
3. деловая графика – построение графиков, диаграмм, создание рекламных роликов, демонстраторов.
Деловая графика
Понятие деловой графики включает методы и средства графической интерпретации научной и деловой информации: таблицы, схемы, диаграммы, иллюстрации, чертежи.
Среди программных средств КГ особое место занимают средства деловой графики. Они предназначены для создания иллюстраций при подготовке отчетной документации, статистических сводок и других иллюстративных материалов. Программные средства деловой графики включаются в состав текстовых и табличных процессоров.
В среде MS Office имеются встроенные инструменты для создания деловой графики: графический редактор Paint, средство MS Graph, диаграммы MS Excel.
Виды компьютерной графики
Несмотря на то, что для работы с КГ существует множество классов программного обеспечения, выделяют всего три вида КГ: растровую, векторную и фрактальную графику. Они различаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.
Растровая графика применяется при разработке электронных и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели сканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображения, сколько на их обработку. В Интернете, в основном, применяются растровые иллюстрации.
Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще. Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданных средствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, поскольку художественная подготовка иллюстраций средствами векторной графики чрезвычайно сложна.
Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах.
Растровая графика
Основным элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселом. Отличительными особенностями пиксела являются его однородность (все пикселы по размеру одинаковы) и неделимость (пиксел не содержит более мелких пикселов). В зависимости от того, на какое графическое разрешение экрана настроена операционная система компьютера, на экране могут размещаться изображения, имеющие 640х480, 800х600, 1024х768 и более пикселов.
С размером изображения непосредственно связано его разрешение. Этот параметр измеряется в точках на дюйм (dots per inch - dpi). У монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на экране составляет примерно 28х21 см. Зная, что в 1 дюйме 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800х600 пикселов разрешение экранного изображения равно 72 dpi.
При печати разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая печать полноцветного изображения требует разрешения не менее 300 dpi. Стандартный фотоснимок размером 10х15 см должен содержать примерно 1000х1500 пикселов.
Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше битов, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов, используемых компьютером для любого пиксела, называется битовой глубиной пиксела. Наиболее простое растровое изображение, состоящее из пикселов имеющих только два цвета – черный и белый, называется 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 называют естественными цветами.
Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть организованы и фиксированы компьютером. Размеры изображения и расположение пикселов в нем это две основные характеристики, которые файл растровых изображений должен сохранить, чтобы создать картинку. Даже если испорчена информация о цвете любого пиксела и любых других характеристиках компьютер все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет знать, как расположены все его пикселы. Пиксел сам по себе не обладает размером, он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете, поэтому коэффициент прямоугольности изображения (определяет количество пикселов матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали) не соответствует никакой реальной размерности. Зная только коэффициент прямоугольности изображения с некоторой разрешающей способностью можно определить настоящие размеры рисунка. называется овое изображение состоит из пикселов имеющих тлько два цвета - черный села. в. по вертикали.координаты выводимых ли
Разрешающая способность растра – это просто число элементов (пиксел) заданной области (дюйм). Файлы растровой графики занимают большое количество памяти компьютера. Наибольшее влияние на количество памяти оказывают три фактора:
размер изображения;
битовая глубина цвета;
формат файла, используемый для хранения изображения.
Достоинства растровой графики:
аппаратная реализуемость;
программная независимость (форматы файлов, предназначенные для сохранения точечных изображений, являются стандартными, поэтому не имеют решающего значения, в каком графическом редакторе создано то или иное изображение);
фотореалистичность изображений.
Недостатки растровой графики:
значительный объем файлов (определяется произведением площади изображения на разрешение и на глубину цвета (если они приведены к единой размерности);
принципиальные сложности трансформирования пиксельных изображений;
эффект пикселизации – связан с невозможностью увеличения изображения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение приводит к тому, что точки становятся крупнее. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается, а увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой;
аппаратная зависимость – причина многих погрешностей;
отсутствие объектов.
Классы программ для работы с растровой графикой
Средства создания изображений:
● графический редактор Paint, входящий в состав ОС Windows;
● Painter;
● Fauve Matisse.
Эти программы ориентированы непосредственно на процесс рисования. В них акцент сделан на использование удобных инструментов рисования и на создание новых художественных инструментов и материалов.
Средства обработки изображений:
● Adobe Photoshop;
● Corel Photo-Paint;
● Photostyler;
● Picture Publisher;
● GIMP.
Эти растровые графические редакторы предназначены не для создания изображений "с нуля", а для обработки готовых рисунков с целью улучшения их качества и реализации творческих идей. Исходный материал для обработки на компьютере может быть получен разными путями: сканирование иллюстрации, загрузка изображения, созданного в другом редакторе, ввод изображения от цифровой фото- или видеокамеры, использование фрагментов изображений из библиотек клипартов, экспортирование векторных изображений.
Средства каталогизации изображений:
● ASDSee32;
● IrfanView.
Программы-каталогизаторы позволяют просматривать графические файлы множества различных форматов, создавать на жестком диске удобные альбомы, перемещать и переименовывать файлы, документировать и комментировать иллюстрации.
Векторная графика
Если в растровой графике основным элементом изображения является точка, то в векторной графике – линия (при этом неважно, прямая это линия или кривая).
Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку она представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, изменяются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.
Линия – это элементарный объект векторной графики. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из линий. Простейшие объекты объединяются в более сложные (например, объект четырехугольник можно рассматривать как четыре связанные линии, а объект куб еще более сложен: его можно рассматривать либо как 12 связанных линий, либо как 6 связанных четырехугольников). Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой.
П р и м е р. В общем случае уравнение кривой третьего порядка можно записать в виде x3+a1y3+a2x2y+a3xy2+a4x2+a5y2+a6xy+a7x+a8y+a9=0.
Видно, что для записи достаточно девяти параметров. Для задания отрезка кривой третьего порядка надо иметь на два параметра больше. Если добавить к ним параметры, выражающие такие свойства линии, как толщина, цвет, характер и прочее, то для хранения одного объекта достаточно будет 20-30 байтов оперативной памяти. Достаточно сложные композиции, насчитывающие тысячи объектов, расходуют лишь десятки и сотни Кбайт.
Как и все объекты, линии имеют свойства: форма линии, ее толщина, цвет, характер (сплошная, пунктирная и т.п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой, картой. Простейшая линия, если она не замкнута, имеет две вершины, которые называются узлами. Узлы тоже имеют свойства, от которых зависит, как выглядит вершина линии и как две линии сопрягаются между собой.
Заметим, что объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но на экран все изображения все равно выводятся в виде точек (просто потому, что экран так устроен). Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой. Аналогичные вычисления производятся и при выводе объектов на принтер.
Достоинства векторной графики
полная свобода трансформации (изменение масштаба без потери качества и практически без увеличения размеров исходного файла);
огромная точность;
небольшой размер файла по сравнению с растровым изображением;
прекрасное качество печати;
отсутствие проблем с экспортом векторного изображения в растровое;
объектно-ориентированный характер векторной графики (возможность редактирования каждого элемента изображения в отдельности);
аппаратная независимость.
Недостатки векторной графики
отсутствие аппаратной реализуемости;
программная зависимость;
практически невозможно экспортировать из растрового формата в векторный (можно, конечно, трассировать изображение, хотя получить хорошую векторную картинку нелегко);
невозможно применение обширной библиотеки эффектов, используемых при работе с растровыми изображениями.
Средства создания и обработки векторных изображений
В тех случаях, когда основным требованием к изображению является высокая точность формы, применяют специальные графические редакторы, предназначенные для работы с векторной графикой. Такая задача возникает при разработке логотипов компаний, при художественном оформлении текста (например, журнальных заголовков или рекламных объявлений), а также во всех случаях, когда иллюстрация является чертежом, схемой или диаграммой, а не рисунком. Наиболее распространены следующие программы:
● Adobe Illustrator;
● Macromedia Freehand;
● CorelDraw;
● Inkskape.
Особую группу программных средств, основанных на принципах векторной графики, составляют системы трехмерной графики: 3D Studio Max, Adobe Dimension, LightWave 3D, Maya, Corel Bryce, Blender.
Ф
рактальная графика
Фрактальная графика, как и векторная – вычисляемая, но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину.
Рассмотрим пример построения фрактального изображения. Простейшим фрактальным объектом является фрактальный треугольник (рис. 1).
1. Постройте обычный равносторонний треугольник со стороной a.
2. Разделите каждую из его сторон на три отрезка.
3. На среднем отрезке стороны постройте равносторонний треугольник со стороной, равной 1/3 стороны исходного треугольника.
4. С полученными треугольниками повторите те же операции.
Из рисунка видно, что треугольники последующих поколений наследуют свойства своих родительских структур. Так рождается фрактальная фигура.
Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы. Обычная снежинка, многократно увеличенная, оказывается фрактальным объектом. Фрактальные алгоритмы лежат в основе роста кристаллов и растений. Взгляните на ветку папоротникового растения, и вы увидите, что каждая дочерняя ветка во многом повторяет свойства ветки более высокого уровня.
Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.
Средства создания фрактальных изображений
Основным производителем программ фрактальной графики является компания Meta Creations. Наиболее известны программы, позволяющие создавать фрактальные объекты или использовать их в художественных композициях (для фона, заливок и текстур каких-либо объектов):
● Fractal Design Painter (Corel Painter);
● Fractal Design Expression;
● Fractal Design Detailer;
● Meta Creations Art Dabbler.
Трёхмерная графика
Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения, 3 Dimensions, рус.3 измерения) — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений н аплоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.
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. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:
моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.
рендеринг (визуализация) — построение проекциив соответствии с выбранной физической моделью.
вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.
Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплееви3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость
Моделирование
Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:
Геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание)
Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон)
Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения)
Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции)
Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации)
Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)
Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.
Средства создания и обработки трехмерной графики
Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты, такие, как:
Autodesk 3ds Max
Autodesk Maya
Autodesk Softimage
Blender
Cinema 4D
Houdini
Modo
LightWave 3D
Caligari Truespace
а также сравнительно новые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo и ZBrush.
Среди открытых продуктов, распространяемых свободно, числится пакет Blender (позволяет создавать 3D-модели, анимацию, различные симуляции и др. c последующим рендерингом), K-3D и Wings3D.
Цветовые модели и палитры. Цветовые профили
Способы образования цвета в природе:
источники света (солнце, лампочка и т.д.) излучают свет различных длин волн спектра. Этот свет воспринимается глазом как цветной.
свет отражается и поглощается, попадая на поверхность несветящихся предметов. Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов.
Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели. Их называют цветовыми моделями. В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде 3D пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат. Этот метод дает возможность передавать цветовую информацию между компьютерами, программами и периферийными устройствами.
Цветовые модели могут быть аппаратно-зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно-независимыми (модель Lab). В большинстве "современных" визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.
Основные цветовые модели:
RGB
CMY (Cyan Magenta Yellow)
CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет)
HSB
Lab
HSV (Hue, Saturation, Value)
HLS (Hue, Lightness, Saturation) и другие
Таблица значений некоторых цветов в числовой модели RGB
|
Цвет |
R |
G |
B |
|
Красный (red) |
255 |
0 |
0 |
|
Зеленый (green) |
0 |
255 |
0 |
|
Синий (blue) |
0 |
0 |
255 |
|
Фуксин (magenta) |
255 |
0 |
255 |
|
Голубой (cyan) |
0 |
255 |
255 |
|
Желтый (yellow) |
255 |
255 |
0 |
|
Белый (white) |
255 |
255 |
255 |
|
Черный (black) |
0 |
0 |
0 |
Аддитивная цветовая модель RGB
Эта модель используется для описания цветов, которые получаются с помощью устройств, основанных на принципе излучения. 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. Считается также, что при наложении одного компонента на другой яркость суммарного цвета увеличивается. Совмещение трех компонентов дает нейтральный цвет (серый), который при большой яркости стремится к белому.
Предысторией системы RGB явились опыты Томаса Юнга (три фонаря с цветными светофильтрами: красным, зеленым и синим). Некоторое время спустя Джемс Максвелл изготовил первый колориметр, с помощью которого человек мог сравнивать монохроматический цвет и цвет смешивания в заданной пропорции компонентов RGB. Регулируя яркость каждого из смешиваемых компонентов, можно добиться уравнивания цветов смеси и монохроматического излучения. Это описывается следующим образом:
Ц = rR + gG + bB,
где r, g, b – количество соответствующих основных цветов.