Понятие, классификация и области применения компьютерной графики

Понятие, классификация  и области применения компьютерной графики

 

Специальную область информатики, занимающуюся методами и средствами создания, преобразования, обработки, хранения и вывода на печать изображений  с помощью цифровых вычислительных комплексов, называют компьютерной графикой.

 

Развитие компьютерной графики  как самостоятельной области  информатики началось в девяностых годах прошлого столетия. Этому способствовало, с одной стороны, резкое повышение  технических характеристик (емкость  запоминающих устройств, быстродействие и разрядность процессора, возможность работы с массивами чисел, представленных в форме с плавающей запятой) и понижение стоимости аппаратного обеспечения, с другой стороны, появление адаптированного к работе с графикой как базового, так и прикладного программного обеспечения.

За последнее десятилетие диапазон применения компьютерной графики существенно  расширился. К примеру, ранее ее могли  использовать только специалисты, работающие в некоторых предметных областях:

-в медицине (компьютерная томография)

-в научных исследованиях (астрономия, микробиология)

-в инженерно-технических разработках  (проектирование зданий, сооружений, летательных -аппаратов)

В наше время CGI-образы (от слов Computer Graphics Imagery – изображение созданное  на компьютере) окружают нас повсеместно: на телевидении, в кино, на рекламных щитах, на страницах газет и журналов. Компьютерная графика превратилась из узкоспециальной области интересов нескольких профессий в дело, которому стремятся посвятить себя множество людей.

Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления  изображений, доступных для восприятия человеком:

-на экране монитора компьютера

-на бумажном носителе

-на кинопленке

-на ткани и т.д.

В компьютерной графике объекты  существуют лишь в памяти компьютера, они не имеют физической формы и представляют собой совокупность цифр, поэтому такие изображения называют цифровыми.

 

Создано разнообразное аппаратное и программное обеспечение для  получения изображений самого различного вида и назначения - от простых чертежей до реалистических образов естественных объектов.

Конечным результатом применения средств компьютерной графики является изображение, которое может использоваться для различных целей.

Компьютерная графика используется для наглядности восприятия и передачи самой разнообразной информации.

Практически не существует демонстрационных слайдов без использования компьютерной графики.

Проблема представления накопленной  информации (например, данных о климатических  изменениях за продолжительный  период, о динамике популяций животного мира, об экологическом состоянии различных регионов и т.п.) лучше всего может быть решена посредством графического отображения.

Трехмерные изображения применяются  в медицине (например, в области  компьютерной томографии), картографии, полиграфии и других областях. В медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Помимо этого применяется и двумерная графика, которую можно отобразить на экране компьютера или графопостроителе.

Существуют развитые программные  средства автоматизации проектно-конструкторских  работ (САПР), позволяющие быстро создавать  чертежи объектов, выполнять прочностные  расчеты и т.п. Они дают возможность  не только изобразить проекции изделия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон. Такие средства полезны для дизайнеров интерьера, ландшафта.

Интерактивные графические элементы применяются при создании моделирующих систем обучения (виртуальных тренажеров). Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при движении автомобиля, решении задач управления бизнесом и т.д.

Телевидение и другие отрасли индустрии  развлечений используют анимационные средства компьютерной графики (компьютерные игры, фильмы).

 

 В телевизионной рекламе,  в научно-популярных и других  фильмах теперь синтезируются  движущиеся объекты, визуально  мало уступающие тем, которые  могут быть получены с помощью  кинокамеры. Кроме того, компьютерная графика предоставила киноиндустрии возможности создания спецэффектов, которые в прежние годы были попросту невозможны. В последние годы широко распространилась еще одна сфера применения компьютерной графики - создание виртуальной реальности.

Следует отметить важную роль компьютерной графики при создании пользовательских интерфейсов. Теперь уже практически все системы поддерживают диалог «человек-компьютер» в графическом виде.

Компьютерную графику можно  классифицировать по нескольким основным признакам (Рис. 1.1).

Первым  классификационным признаком является количество измерений, используемых при  создании и обработке изображения. По этому признаку вся компьютерная графика делится на два класса: плоская или двухмерная графика, при работе с которой любое  изображение имеет лишь два измерения – ширину и высоту и объемная или трехмерная (3D) графика, которая характеризуется тремя пространственными измерениями – шириной, высотой и глубиной. Наличие у трехмерных изображений координаты глубины дает возможность взглянуть на них с другого ракурса, не перерисовывая при этом самих изображений.

 

Вторым  классификационным признаком является способ формирования изображений, по которому компьютерная графика может быть разделена на растровую, векторную  и фрактальную. Основным элементом растровой графики является точка, совокупность точек образует изображение. Векторная графика работает с линиями, которые описываются математически как единый объект. Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях, однако базовым элементом является сама математическая формула.

Третьим признаком  является способность динамического  изменения изображения. По данному  признаку можно выделить два класса: статическая графика и интерактивная (анимационная) графика. Под интерактивной компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики, изучающий вопросы динамического управления со стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия.

Четвертым признаком может служить специализация компьютерной графики в отдельных областях. Так, можно выделить инженерную графику, дизайн-графику, Web-графику и другие области.

В результате развития современных информационных технологий и посредством объединения компьютерных, телевизионных и кинотехнологий сформировалась относительно новая область компьютерной графики – интерактивная (анимационная) графика.

Под интерактивной  компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики, изучающий вопросы  динамического управления со стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия.

 

 

 

 

 

 

 Растровая графика, основные понятия.

 

Все растровые  изображения состоят из множества  точек. Это наиболее простой способ представления изображения, потому, что именно таким образом видит его наш глаз.

 

 

Процесс формирования растрового изображения можно сравнить с мозаичным панно, где с помощью  одинаковых по форме, но различных по цвету элементов создаются различные образы. Если отойти от мозаичного панно достаточно далеко, отдельные элементы становятся неразличимо малы, и изображение кажется однородным. Точно так же кодируются и растровые изображения в компьютерной графике. Все изображение подобно таблице разбивается по горизонтали и вертикали на мелкие ячейки – точки, каждая из которых принимает усредненный по площади ячейки цвет. При работе с изображением в памяти компьютера запоминается вся таблица (именно поэтому растровые изображения всегда прямоугольные) и цвет каждой ее точки. Таким образом, в растровых изображениях не существует объектов как таковых. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, поэтому при редактировании возникает необходимость работы с каждой конкретной точкой.

Пиксел - неделимая  точка в графическом изображении. Пиксел характеризуется прямоугольной  формой и размерами, определяющими  пространственное разрешение изображения

Под растровым (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселов) различных цветов или оттенков (Рис. 1.2). Это наиболее простой способ представления изображения, потому, что именно таким образом видит его глаз человека.

Растровый способ кодирования изображений обеспечивает легкость их ввода с помощью сканеров. Светочувствительный элемент сканера измеряет оптическую плотность сканируемого оригинала (рисунка, фотографии, слайда) по всей его площади: в отдельных точках с заданным интервалом вдоль и поперек оригинала. В результате получается прямоугольная таблица, каждая ячейка которой соответствует измеренному значению цвета. Она представляется точным снимком оригинала в цифровой форме. Каждая ячейка таблицы называется точкой, а вся таблица — растровым изображением.

 Кроме того, есть мониторы, которые  тоже является растровым устройством.  Экран монитора покрыт прямоугольной  сеткой из точек люминофора. При  демонстрации изображения кодированная информация визуализируется с помощью операции, обратной сканированию. Каждой точке изображения ставится в соответствие точка люминофора, называемая пикселем. Пиксель принимает цвет соответствующей ему точке изображения. Поэтому точку цифрового изображения часто отождествляют с пикселем и говорят, что растровое изображение состоит из пикселей.

Монитор — не единственное устройство вывода. Изображение можно напечатать на принтере, типографской машине, вывести  на фотопленку или фотобумагу. Большинство устройств вывода, как и мониторы, тоже являются растровыми устройствами, и точкам изображения ставятся в соответствие точки этих устройств.

Цифровое изображение, находящееся  в памяти компьютера не имеет своего физического воплощения, это всего лишь набор цифр. Увидеть его можно только посредством какого-либо устройства вывода. По этой причине внешний вид изображения (размер, качество, цветопередача и т.п.) сильно зависят от характеристик монитора или принтера.

Достоинством растрового способа представления изображений является возможность получения фотореалистичного изображения высокого качества в различном цветовом диапазоне. Недостатком – высокая точность и широкий цветовой диапазон требуют увеличения объема файла для хранения изображения и оперативной памяти для его обработки.

Растровая графика описывает изображения  с использованием цветных точек, называемых пикселами, расположенных  на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением  и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно так же, как в мозаике (фотографии, отсканированные рисунки и т.д.). При редактировании растровой графики редактируются пикселы, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пикселы будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Применение  растровой графики позволяет  добиться качественного изображения, фотографического качества. Но за все нужно, платить в данном случае - объемами файлов и трудоемкостью редактирования изображения, приходиться каждую точку подправлять вручную. Даже если Вы при редактировании используете инструменты типа линии или примитивов (овалов, квадратов), то результат представляет собой изменение затронутых данными инструментами пикселей. При изменении размеров, качество изображения ухудшается: при уменьшении - исчезают мелкие детали, а при увеличении картинка может превратиться в набор неряшливых квадратов (увеличенных пикселей). При печати растрового изображения или при просмотре его на средствах имеющих недостаточный разрешающую способность значительно ухудшает восприятие образа.

Основные характеристики растровой графики.

Размер изображения. Растровые изображения характеризуются количеством составляющих их точек. В силу частого отождествления точек и пикселей размеры изображений измеряют в пикселях. Это представляется удобным, если изображение предназначено только для демонстрации на мониторе (Web-страницы и прочие документы для электронного распространения). Удобство обусловлено стандартизированным количеством пикселей, которое могут отображать мониторы. Для большинства мониторов эта величина составляет 800х600, 1024х768, 1152х864, 1280*960, 1280х1024, 1600х1200 и т.д.

 

Чтобы представить  себе, сколько места на экране монитора займет изображение известного размера, надо знать, сколько пикселей монитора приходится на единицу длины. Такая  величина имеет собственное название - разрешение экранного изображения, и измеряется в пикселях на дюйм (pixel per inch, ppi). В каждом конкретном случае она зависит от физического размера экрана и установленного размера растровой сетки, т. е. количества пикселей по вертикали и горизонтали. Число возможных сочетаний этих параметров весьма велико (например, разрешение мониторов могут быть установлены в диапазоне от 72 ppi до 96 ppi). При более высоком разрешении элементы интерфейса программ (текст в меню и диалоговых окнах, панели инструментов и т. п.) становятся слишком мелкими, глаза быстро утомляются. Низкое разрешение, наоборот, оставляет на экране слишком мало места для самого редактируемого изображения или текста.

Разрешение  изображения – определяет насколько  точно будут воспроизведены детали изображения. Чем выше разрешение, тем выше качество печати и тем больше объем данных изображения. Это, в свою очередь, означает необходимость большего объема памяти для записи изображения. Разрешение выражается в dpi (Dots Per Inch – Точках на дюйм). Например, разрешение 400 dpi означает, что в каждом дюйме присутствует 400 точек. Размер одной точки составляет примерно 63,5 микрон (0,0635 мм.).