Компьютерлік графика туралы түсінік

   Компьютерлік  графика туралы 

   Деректерді компьютер мониторында графикалық түрде көрсету алғаш рет өткен ғасырдың 50-ші жылдарында ғылыми және әскери бағытта қолданылатын ЭЕМ-дердің көмегімен жұзеге асырылған болатын. Содан бері ақпаратты графикалық тәсілмен беру компьютерлік жүйелердің, әсіресе  дербес компьютерлердің ажырамас бөлігі болып табылады.

   Компьютерлік  графика – арнайы есептеу кешендерінің көмегімен бейнелерді  жасау мен оларды  өңдеу құралдары мен әдістерін зерттейтін пән болып табылады.

   Компьютерлік графика монитор экранында немесе сыртқы тасымалдаушыларда (қағаз, кинопленка, мата және т.б.) көшірмелерінде кескіндерді бейнелеудің барлық  түрлерін қамтиды.

     Деректерді көрнекілеу адамзат қызметінің әр түрлі салаларында орын алып келеді. Мысалы, медицина (компьютерлік томография), ғылыми зерттеулер, киімдерді модельдеу, тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар және т.б.

   Кескіндерді жасаудың тәсілдеріне қарай компьютерлік графика келесі түрлерге бөлінеді:

- растрлық;

- векторлық;

- фрактальдық.

   Пәннің  тағы да бір ерекше бөлімі  - үшөлшемді (3D) графика. Бұл пән объектілердің көлемдік модельдерін виртуалды кеңістікте құрастырудың әдістері мен тәсілдерін зерттейді. Әдетте мұнда кескіндеудің векторлық және растрлық тәсілдері үйлесімді қолданылады.

   Түстеріне байланысты графика қара-ақ және түрлі-түсті болады. Әр түрлі салаларға мамандандырылғанына байланысты инженерлік графика, ғылыми графика, Web-графика, компьютерлік полиграфия және т.б. түрлер болады.

   Компьютерлік  графика көбінше тек құрал  ретінде қолданылғанмен, оның құрылымы мен әдістері математика, физика, химия, биология, статистика, бағдарламалау және т.б. фундаментальді және қолданбалы ғылымдарының жетістіктеріне негізделеді. Сондықтан компьютерлік графика қарқынды дамуда және көп жағдайда жалпы компьютерлік индустрияда жетекші орын алады.   

   Компьютерлік  графиканың түрлері 

   Фрактальдік графика

   Фрактальдік графика математикалық есептеулерге негізделеді. Фрактальдік графиканың базалық элементі математикалық формула болып табылады. Яғни компьютердің жадында ешқендей объектілер сақталмайды, ал кескіндер берілген теңдеулер бойынша тұрғызылады. Осы тәсілмен қарапайым құрылымдардан бастап табиғи ландшафттар  мен үшөлшемді объектілерді имитация жасайтын күрделі кескіндерге дейін тұрғызылады.

   Үшөлшемді графика.

   Үшөлшемді графика ғылыми есептеулерде, инженерлік жобалауда, физикалық объекттерді компьютерлік модельдеуде кеңінен орын алады. Мысал ретінде үшөлшемді модельдеудің күрделі вариантын – физикалық дененің қозғалыстағы кескіндерін құрастыру. Объетіні кеңістік модельдеу үшін келесі қадамдарды орындау керек:

• объектінің нақты формасына барынша сәйкес виртуалдық каркасын «скелетін» жобалау және жасау;
• физикалық қасиеттері объектінің нақты материалдарына ұқсас болатын виртуалды материалдарды жобалау және жасау;
• объектінің беттерінің бөліктеріне тиісті материалдарды тағайындау (кәсіби жаргонда оны «текстураларды объектіге проекциялау» дейді);
• объект орналасқан кеңістіктің физикалық параметрлерін келтіру керек – жарықты, графитацияны, атмосфера қасиеттерін, өзара байланысты объектілер мен беттердің қасиеттерін беру;
• объектілер қозғалысының траекториясын беру;
• кадрлардың қорытынды реттілігін есептеу;
• анимациялық роликке қажетті эффекттерді беру.

    Объектінің  реалистік моделін құру үшін геометриялық примитивтер (тік төртбұрыш, куб, шар, конус және т.б.)  және онлайндық депе аталатын жатық беттер қолданылады.  

    Растрлық  графика.

         Растрлық графикада кескіндер түрлі-түсті нүктелердің жиынтығынан тұрады. Графикалық ақпараттың осындай нүктелер жиыны немесе пиксельдер түрінде ұсынылуы растрлық түрдегі ұсынылу болып табылады. Растрлық кескінді құрайтын әрбір пиксельдің өз орны мен түсі болады және әр пиксельге компьютер жадында бір ұяшық қажет. Растрлық графикада ұзындық бірлігінде нүктелер санын анықтайтын мүмкіндік ұғымының маңызы зор. Оның келесі түрлері болады:

• түпнұсқаның мүмкіндігі;
• экран кескінінің мүмкіндігі;
• баспа кескінінің мүмкіндігі.

    Түпнұсқаның мүмкіндігі.

    Түпнұсқаның мүмкіндігі бір дюймдегі нүктелер санымен  өлшенеді (dots per inch - dpi) және кескін сапасына қойылатын талаптарға, цифрлау тәсіліне, файлдың форматына және басқа да параметрлерге байланысты болады.

    Экрандық  кескіннің мүмкіндігі.

    Кескіннің экрандық көшірмесінде растрдың элементар  нүктесін пиксел деп атайды. Пикселдің  өлшемі таңдалған экрандық мүмкіндікке, түпнұсқа мүмкіндігіне және кескін масштабына байланысты. Диагоналі 20-21 дюйм болатын мониторлар 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1280, 1920×1200, 1920×1600 нүктелі экрандық мүмкіндіктерді қамтамасыз етеді.

    Экрандық  көшірме үшін 72dpi мүмкіндігі жеткілікті, ал түсті немесе лазерлік принтерлерде басып шығару үшін 150-200 dpi, фотосурет басып шығару үшін 200-300 dpi мүмкіндіктері болуы керек.

    Векторлық графика.

    Растрлық  графикада кескіннің базалық  элементі нүкте болып табылады дедік. Ал веторлық графикада базалық элемент сызық болып табылады. Сызық бір тұтас объект ретінде математикалықжолмен сипатталады. Сондықтан векторлық графика құралдарымен объектті кескінде үшін қажетті деректер көлемі растрлық графикамен салыстырғанда едәуір аз болады.

    Сызық – векторлық графиканың элементар объектісі. Кез келген басқа да объекттер сияқты, сызықтың да өзіне тәне қасиеттері болады. Мысалы, оның формасы (түзу немесе қисық), қалыңдығы, түсі, түрі (тұтас, пунктирлі). Тұйық сызықтардың ішін толтыру қасиеттері болады. Тұйық сызықтардың іші басқа объекттермен немесе таңдалған түспен толтырылуы мүмкін. Қарапайым тұйық емес сызық түйіндер депе аталатын екі нүктемен шектеледі. Ол  түйіндердің де қасиеттері болады. Қалған объектілердің барлығы сызықтардан құралады. Мысалы, кубты өзара байланысқан алты тік төртбұрыштардан құрауға болады, ал ол тік төртбұрыштардың әрқайсысы өзара байланысқан төрт сызықтардан тұрады. Немесе кубты өзара байланысқан он екі сызықтардан құралған деп қарастыруға болады. 

    Векторлық графиканың математикалық негіздері.

    Әртүрлі объекттердің векторлық графикада  берілу тәсілдерін қарастырып көрелік.

    Нүкте. Бұл объект жазықтықта координаталар басына қатысты орнын анықтайтын екі санмен  (x,y) беріледі.

    Түзу. Түзудің теңдеуі y=kx+b. Егер k және b параметрлері берілсе, онда белгілі координаттар жүйесінде шексіз түзуді кескіндеуге болады.

    Кесінді. Түзуден айырмашылығы - кесіндіні кескіндеу үшін қосымша тағы да екі параметр белгілі болуы керек. Мысалы, кесінді ұштарының координаттары.

    Екінші  реттік қисықтар. Қисықтардың бұл класына парабола, гипербола, эллипс, шеңбер жатады. Басқаша айтқанда, екінші реттік қисықтарға теңдеулеріндегі дәрежелері екіден артық болмайтын барлық сызықтар жатады. Түзу екінші реттік қисықтың дербес жағдайыболып табылады. Жалпы жағдайда екінші реттік қисықтың теңдеуі

    x²+a₁y²+a₂xy+a₃x+a₄y+a₅=0

түрінде болады.  

    Сонымен, екінші реттік қисықты кескіндеу  үшін бес параметр жеткілікті. Егер қисықтың кесіндісі қажет болса, тағы да екі параметр қажет болады.

    Үшінші  реттік қисықтар. Бұл сызықтардың екінші реттік қисықтардан айырмашылығы – майысу нүктелерінің бар болу мүмкіндігінде. Мысалы, y = x³ функциясының графигінде координаттар басында майысу нүктесі бар. Үшінші реттік қисықтардың осы ерекшелігі оларды векторлық графикада табиғи объектілерді кескіндеудің негізі етіп алуға мүмкіндік береді. Мысалы, адам денесі кескінінің иілген сызықтары осы үшініш реттік қисықтарға жақын келеді. Барлық екінші реттік қисықтар және түзулер үшінші реттік қисықтардың дербес жағдайы болып келеді.

    Жалпы жағдайда үшінші реттік қисықтардың теңдеуін төмендегідей жазуға болады:

    x³+a₁y³+a₂x²y+a₃xy²+a₄x²+a₅y²+a₆xy+a₇x+a₈y+a₉=0.

    Сонымен, үшінші реттік қисық тоғыз параметрмен  анықталады. Ал оның кесіндісін анықтау  үшін қосымша тағы да екі параметр қажет.

    Безье қисықтары – үшінші реттік қисықтардың дербесбір түрі. Безье (Bezier) сызықтарын тұрғызу әдісі кесіндіге оның ұштары арқылы өтетін екі жанама түзулерді қолдануға негізделген. Безье қисығының кесінділері сегіз парметрмен анықталады, сондықтан олармен жұмыс істеу қолайлы. Сызықтың формасына жанаманың көлбеулік бұрышы мен жанама кесіндісінің ұзындығы әсер етеді. Яғни, жанамалар қисық сызықты басқаруға арналған виртуальды «рычагтар» ролін атқарады. 

    Растрлық  және векторлық графика.

      Сонымен, растрлық немесе векторлық форматты таңдау кескінмен жасалатын жұмыстың мақсатына байланысты болады. Егер түс берудің фотографиялық дәлдігі қажет болса, онда растрлық форматты таңдаған дұрыс. Логотиптерді, схемаларды, сызбаларды, безендіру элементтерін векторлық форматта жасаған тиімді. Растрлық пен векторлық графиканың екеуінде де графика (немесе мәтін) монитор экранына немесе баспа құрылғысына нүктелер жиыны ретінде шығарылады. Интернетте графика GIF, JPG, PNG сияқты растрлық форматтарда беріледі, өйткені оларды броузерлер түсіну үшін қосымша модульдерді орнатуды қажет етпейді. Бір қарағанда, векторлық графиканы қолдану тиімсіз сияқты болып көрінеді. Алайда, сызбаларды, суреттерді векторлық графикада орындаған ыңғайлы. Өйткені кез келген сызықты қате сызған кезде оны түзетуге болады. Оған қоса қолданылатын редакторлар .gif , .jpg форматтарына экспорттауды қамтамасыз етеді.

    Жұмыстың  мақсатына байланысты әртүрлі графикалық редакторлар (растрлық немесе векторлық) қолданылады. Әрине, олардың ортақ қасиеттері де бар – файлдарды әртүрлі форматтарды ашу немесе сақтау, аттары бірдей аспатарды (карандаш, перо және т.б.) немесе функцияларды (выделение – белгілеу, перемешение – жылжыту, масштабирование – масштабты өзгерту және т.б.) қолдану, қажетті түсті таңдау және т.б. Бірақ, растрлық және графикалық форматтардың қасиеттеріне байланысты редакторларда сурет салу, сызбаларды орындау және редакциялау принциптері әртүрлі. Мысалы, растрлық графикада объектіні белгілеу кезінде объект күрделі формалы облыс түріндегі нүктелер жиыны ретінде қарастырылады. Оны белгілеу көбіне күрделі, әрі қиын болып келеді.   Ол объектіні жылжытқан кезде орны «тесік» болып қалады. Ал векторлық графикада объект графикалық примитивтердің жиыны ретінде қарастырылады және оны белгілеу үшін мышканың көмегімен әр примитивті белгілесе болады. Ал егер бұл примитивтер топтастырылған  (группировка) болса, оның кез келген нүктесіне меңзесе болғаны. Белгіленген объектіні жылжытқан кезде оның астында жатқан элементтер ашылады.

    Қазіргі таңда графикалық редакторлардың бір-біріне жақындасу тенденциясы байқалуда. Көптеген векторлық редакторлар растрлық суреттерді фон ретінде қолдана алады, кескіндерді векторлық форматқа қосымша орнатылған құралдар (трассировка) арқылы айналдыра алады.

    Графикалық  деректер форматтары.

    Компьютерлік  графикада кескіндерді сақтайтын файл форматтарының  отыздан аса түрлері бар. Солардың ішінде жиі қолданылатын түрлерін қарастырып көрелік.

    TIFF (Tagged  Image File Format). Бұл формат жоғары сапалы растрлық кескіндерді сақтауға арналған (файлдардың расширениесі - .TIF). Бұл формат өте кең таралған. Ол IBM PC және Aple Macintosh платформаларының екеуінде де қолданыла береді. Көптеген графикалық, дизайнерлік бағдарламаларда қолданыс тапқан. Түс диапазоны өте кең – монохромды қара-ақ түстен бастап CMYK 32-разрядты түсті бөлу моделіне дейін.

    PSD (PhotoShop Document). Adobe Photoshop бағдарламасының меншікті форматы (файлдардың расширениесі  .PSD). Графикалық деректерді сақтау жағынан мүмкіндіктері өте көп, кең тараған формат.  Әртүрлі түстік модельдер, түс бөлу, түсті 48-разрядтық кодтау қамтамасыз етіледі.

    JPEG (Joint Photographic Experts Group). Бұл формат та растрлық кескіндерді сақтауға арналған (файл атының расширениесі .JPG). Файлды қысу дәрежесі мен кескіннің сапасы арасындағы қатынасты өзгерту мен басқаруды қамтамасыз етеді. Мұнда қолданылатын қысу әдістері «артық» ақпаратты жоюға негізделген. Сондықтан бұл форматты көбіне электрондық кескіндер үшін ұсынады.