Компьютерная графика. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 108 01 01 Профессиональное обучение (по направлениям)
 Скачать 1.93 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Технология и методика преподавания» КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Электронный учебно-методический комплекс для студентов специальности 1-08 01 01 «Профессиональное обучение (по направлениям)» Минск БНТУ 2018 Составители: А.А. Дробыш, А.В. Ражнова, А.Ю. Зуенок В теоретической части представлен конспект лекций по дисци- плине «Компьютерная графика». В практической части описаны базовые приемы работы в наибо- лее распространенных редакторах графики Photoshop, Corel Draw и Flash. Приведены основные теоретические сведения, сформулиро- ваны цели лабораторных работ, описан ход работ, перечислены контрольные вопросы к защите лабораторных работ. Комплекс предназначен для студентов инженерно- педагогического факультета БНТУ, а также может быть использо- ван для самостоятельного изучения студентами университета. © Белорусский национальный технический университет, 2018 3 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ................................................................................... 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ....................................................... 4 ЛЕКЦИЯ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ ..................... 4 История развития и области применения компьютерной графики .......................................................................................... 4 Методы представления графической информации ................. 16 Растровая графика .............................................................................. 16 Векторная графика ...................................................................... 18 Фрактальная графика .................................................................. 19 Форматы файлов графики .......................................................... 21 Цветовые модели ........................................................................ 22 Цветовая модель RGB ...................................................................... 23 Цветовая модель CMYK .................................................................. 24 Цветовая модель HSB ...................................................................... 25 ЛЕКЦИЯ 2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ ................................................ 25 Программы растровой графики ................................................. 26 Программы векторной графики................................................. 28 Программы верстки .................................................................... 32 Программы трехмерной графики .............................................. 36 Вспомогательные программы .................................................... 40 ЛЕКЦИЯ 3. ФРАКТАЛЬНАЯ ГРАФИКА ............................... 41 4 Три класса фракталов ................................................................. 43 Фрактальные графические редакторы ...................................... 45 Форматы хранения изображений во фрактальной графике... 47 ЛЕКЦИЯ 4. ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА .................................. 50 Основные понятия трехмерной графики .................................. 50 Программные средства обработки трехмерной графики ........ 57 ЛЕКЦИЯ 5. ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА И ЦВЕТОВЫЕ ГАРМОНИИ ................................................................................ 61 Психологическое воздействие цвета ........................................ 61 Систематизация цветов. Цветовой круг ................................... 63 Гармоничные сочетания цветов ................................................ 65 Ахроматические цвета и цветовые гармонии .......................... 66 ЛЕКЦИЯ 6. КОМПОЗИЦИЯ В ГРАФИЧЕСКОМ ДИЗАЙНЕ .. 67 Виды композиции ....................................................................... 67 Принципы композиции .............................................................. 70 Правила композиции .................................................................. 71 ЛЕКЦИЯ 7. ОФОРМЛЕНИЕ ТЕКСТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ . 73 Классификация шрифтов ........................................................... 74 Варианты использования и смешивания шрифтов .................. 76 Техники стилизации текста........................................................ 77 ЛИТЕРАТУРА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА .................... 79 ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ ........................................................ 3 Лабораторная работа № 1 ГРАФИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР ADOBE PHOTOSHOP. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. РАБОТА С ИЗОБРАЖЕНИЯМИ .................................................................... 3 Лабораторная работа № 2 ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ .... 9 5 Лабораторная работа № 3 КОРРЕКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ .. 10 Лабораторная работа № 4 СЛОИ РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ......................................................................... 13 Лабораторная работа № 5 РЕДАКТИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ......................................................................... 15 Лабораторная работа № 6 РИСОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ . 19 Лабораторная работа № 7 КОНТУРЫ В ИЗОБРАЖЕНИЯХ. ТЕКСТ .......................................................................................... 24 Лабораторная работа № 8 ОСНОВЫ РАБОТЫ В COREL DRAW .......................................................................................... 29 Лабораторная работа № 9 ТЕКСТ, ПРАВКА ОБЪЕКТОВ, СПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ В COREL DRAW ............ 38 Лабораторная работа № 10 КОНТУРЫ И ЗАЛИВКИ В COREL DRAW ............................................................................ 44 Лабораторная работа № 11 ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ ................................................................................. 51 Лабораторная работа № 12 ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ58 Лабораторная работа № 13 ЭФФЕКТЫ В COREL DRAW ... 65 Лабораторная работа №14 ОСНОВЫ РАБОТЫ В FLАSH ... 75 Лабораторная работа № 15 СОЗДАНИЕ АНИМАЦИИ В FLASH .......................................................................................... 83 Лабораторная работа №16 СЛОИ В FLASH ........................... 94 Лабораторная работа №17 РАБОТА С ТЕКСТОМ В FLASH 103 ЛИТЕРАТУРА ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА .................... 110 КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ .............................................................. 111 ГЛОССАРИЙ ............................................................................ 115 3 ВВЕДЕНИЕ Электронный учебнл-методический комплекс состоит из конспекта лекций, указаний к лабораторным работам, списка контрольных вопросов и глоссария. Конспект включает 7 лек- ций, охватиывающих основы компьютерной графики. Прак- тическая часть (лабораторные работы) посвящена работе с трехмерными и двухмерными объектами. Выполнение всех лабораторных работ осуществляется в следующей последовательности: 1)изучить теоретическую часть работы, 2) выполнить задания, ответить на контрольные вопросы, 3) оформить отчет. Содержание отчета: 1) Название и цели работы. 2) Ответы на контрольные вопросы. 3) Выводы по работе. 4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ ЛЕКЦИЯ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ Компьютерная графика – удивительный симбиоз науки, творчества и технических достижений. В ее пространстве се- годня существует много специализаций, огромен перечень профессий, в которых применяются ее методы. Освоение тео- рии компьютерной графики будет идти одновременно с усво- ением соответствующих программных средств на лаборатор- ных занятиях. В лекциях будут рассмотрены общие концеп- ции КГ, информационные модели, в соответствии с которыми изображения представляются в памяти компьютера и приемы работы с этими моделями, позволяющие создавать и изменять изображения по замыслу автора. За последние несколько десятилетий компьютерная графи- ка прошла путь от вычерчивания простых линий и отрезков до построения виртуальной реальности и создания полномет- ражных кинофильмов. Само слово «графика» в его привыч- ном понимании уже не соответствует той области интересов, которую охватывает компьютерная графика. На сегодняшний день компьютерная графика – это область информатики, в сферу интересов которой входят все аспекты формирования изображений с помощью компьютеров. Уточняя, можно ска- зать, что предметом ее изучения является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ. История развития и области применения компьютерной графики Развитие компьютерной графики (КГ) определяется двумя факторами: потребностями потенциальных пользователей и достижениями в области аппаратного и программного обеспечения. 5 Можно считать, что первые системы КГ появились вместе с первыми цифровыми компьютерами. Сейчас ее рассматрива- ют как средство, которое обеспечивает мощную взаимосвязь между человеком и компьютером, заставляя компьютер гово- рить с человеком на языке изображений. Началом эры компьютерной графики можно считать де- кабрь 1951 года, когда в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера «Вихрь» (Whirl). Изобретателем этого дис- плея был Джей Форрестер, работавший инженером в МТИ. Одним из отцов-основателей компьютерной графики счи- тается Айвен Сазерленд, который впервые в 1962 году все в том же МТИ создал программу компьютерной графики под названием «Блокнот» (Sketchpad). Эта программа могла рисо- вать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окруж- ностей), могла вращать фигуры на экране. После этой про- граммы некоторые крупные фирмы, такие, как General Motors, General Electric, приступили к разработкам в области компью- терной графики. Если в 1950-х годах КГ давала возможность выводить лишь несколько десятков отрезков на экране, то к середине 60-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях КГ. Под руководством Тирбера Мофетта и Нор- мана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила свою систему ав- томатизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM. К октябрю 1966 года журнал Wall Street уже публиковал статьи по КГ. В конце 70-х в КГ произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имею- щих множество преимуществ: вывод больших массивов дан- 6 ных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Растровая технология в конце семиде- сятых стала явно доминирующей. В 80-х годах определяющую роль сыграл выпуск компани- ей Apple компьютеров Macintosh. Они были для своего време- ни настоящей революцией. Во-первых, Macintosh серийно по- ставлялся с цветным монитором. Во-вторых, его операцион- ная система обладала наглядным, визуальным интерфейсом (своего рода аналог более поздней ОС Windows). В-третьих, их мощности было достаточно для обработки графических изображений. Именно поэтому Macintosh сразу заслужил внимание множества профессиональных художников и дизай- неров, которые поменяли карандаш и кисть на мышь и клави- атуру. Рынок не заставил себя долго ждать, появилось не- сколько очень впечатляющих для своего времени графических редакторов. В XXI веке средства компьютерной графики позволяют со- здавать реалистические изображения, не уступающие фото- графическим снимкам. Создано разнообразное аппаратное и программное обеспечение для получения изображений самого различного вида и назначения – от простых чертежей до реа- листических образов естественных объектов. Компьютерная графика используется практически во всех научных и инже- нерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Совершенно очевидно, что в новом тысячелетии информа- ционные и коммуникационные технологии будут играть важ- нейшую роль во всех сферах жизни человечества. В таких об- ластях, как кинематография, издательское дело, в научных ис- следованиях, в образовательных учреждениях, внедрение этих технологий уже произвело поистине революционный переворот. Области приложения компьютерной графики в настоящее время очень широки. Методы и средства КГ востребованы в 7 любой сфере человеческой деятельности, где используются изображения. Больше всего это касается областей, в которых основную роль играют объекты визуальной коммуникации. Визуальная коммуникация представляет собой информацион- ный процесс, при котром информация передается от источни- ка (автора) потребителю через зрительный канал. Объект ви- зуальной коммуникации, несущий в себе эту информацию, называется изображением. Дизайн и художественное творчество Для современных условий характерны две тенденции: рост качества жизни и ужесточение конкуренции во всех областях производства и сервиса. Повышаются требования к удобству и эстетическому совершенству всего, что окружает человека, а конкуренция приводит к тому, что преуспевают те, кто уделя- ет этому фактору значительное внимание. Поэтому значение дизайна (и, в частности, промышленного дизайна) в жизни со- временного общества сложно переоценить. Возрастание роли дизайна и спроса на продукцию дизайнеров привели к необ- ходимости интенсификации и повышения эффективности это- го вида труда. Из-за того, что творческая составляющая профессиональ- ной деятельности дизайнера не поддается формализации и в этом аспекте эффективность его труда определяется только мерой таланта, радикально увеличить эффективность деятель- ности можно только за счет сокращения объема и трудоемко- сти рутинных операций. Компьютерная графика является той базой, на основе которой можно добиться этой цели. Пользу- ясь программами компьютерной графики, дизайнер может не только быстрее материализовать свои творческие замыслы, но и оперативно проверить несколько вариантов реализации каждого из них. В частности, при работе над шрифтовыми композициями применение программных средств векторной графики позволяет сократить затрачиваемое время в несколь- 8 ко раз. Конечно, рост эффективности возникает только при достаточно профессиональном владении арсеналом компью- терной графики. Эффективное средство повышения производительности труда дизайнера – трехмерное моделирование, интенсивно использу- ющееся в архитектурном и ландшафтном дизайне, дизайне ин- терьеров и мебели. Кроме того, в условиях перехода к информа- ционному обществу появились новые области: дизайн мульти- медиа, Web-дизайн, дизайн пользовательского интерфейса ин- формационных систем. В этих прикладных областях в силу их специфики традиционные техники дизайна, не связанные с ком- пьютерной графикой, просто неприменимы. Массмедиа и полиграфия Из средств массовой коммуникации сегодня, пожалуй, только на радио не задействованы приемы компьютерной графики (если исключить рекламную поддержку). На телеви- дении не обойтись без заставок, титров и логотипов, а анима- ционные ролики занимают значительную часть экранного времени на многих каналах, причем не только в виде рекламы, но и как вставки в новостных программах. Практически все- гда прогноз погоды читают на фоне метеорологических карт, подготовленных с помощью графических программ. Все чаще картами и схемами иллюстрируют новостные сообщения. Служба доступа к гипертексту, более известная как WWW или «Всемирная паутина», ставшая атрибутом повседневного обихода многих людей, требует небывалого в человеческой истории объема графических работ. Причем их качество должно быть достаточно высоким, поскольку успех того или иного информационного ресурса Сети во многом определяет- ся его дизайном, удобством графического интерфейса, доб- ротностью представленных на нем изображений. Развитие WWW приводит к высокому спросу на специалистов- дизайнеров с хорошей подготовкой в области компьютерной графики. 9 В современных полиграфических технологиях, обеспечи- вающих выпуск книг и газет, компьютеры и программное обеспечение играют центральную роль. Почти все печатные издания поступают в производство в виде полиграфической оснастки, подготовленной с помощью программ компьютер- ной верстки. Для ее работы требуется, чтобы и текст, и иллю- страции были представлены на машинном носителе, т.е. в ви- де информационных моделей. Для иллюстраций это означает не только возможность их включения в макет издания произ- вольной сложности, но и готовность к обработке с помощью программ компьютерной графики. Многие графические эле- менты, определяющие стиль оформления издания (такие, как заставки, виньетки, буквицы и линейки), удобно с самого начала разрабатывать с помощью программ векторной графи- ки. Иллюстрации, подготовленные в традиционной графиче- ской технике, а также фотографии (отпечатки, негативы и слайды) в издательстве сканируются и проходят цикл обра- ботки методами компьютерной графики (ретушь, цветокор- рекция, допечатная подготовка). Многие художники-графики, работающие в жанре книжной иллюстрации, с самого начала работы над графическими проектами пользуются программа- ми компьютерной графики. Анимация Анимация – создание иллюзии движения за счет демон- страции быстро сменяющих друг друга изображений. Специ- фика анимации состоит в том, что изображения, из которых впоследствии составляется анимационный ролик, не снима- ются в непрерывном режиме кино- или видеокамерой. Более того, во многих видах анимации они формируются не каме- рой, а получаются из других источников. В традиционной анимации изображения, из которых составляется анимацион- ный ролик, создаются вручную художниками, прорисовыва- 10 ющими все промежуточные кадры по нарисованным ранее опорным. Применение для построения опорных кадров методов ком- пьютерной графики позволяет радикально изменить техноло- гию. Если опорные кадры представляют собой два различных состояния информационной модели изображения, то форми- рование промежуточных состояний той же информационной модели, соответствующих промежуточным кадрам, может выполняться автоматически. Это дает колоссальную эконо- мию труда. Поэтому сегодня методы компьютерной графики представляют собой неотъемлемую часть технического арсе- нала создателей анимационных фильмов, а анимационный фильм, в работе над которым они не применялись, является редким исключением. Кинематография Внедрение средств компьютерной графики в традицион- ную кинематографию началось существенно позднее, чем в анимационную. Продолжительное время они применялись, главным образом, для подготовки титров и заставок. Но лави- нообразный рост затрат на съемку фильмов потребовал поис- ка путей экономии, и компьютерная графика оказалась весьма перспективным в этом смысле средством. Технология цифро- вого видеомонтажа позволила частично отказаться от по- стройки декораций. Например, в известном фильме «Титаник» большая часть интерьеров роскошного лайнера – виртуаль- ные, существующие только в виде графических изображений. При создании фильмов «Ночной дозор», «Дневной дозор» и «Турецкий гамбит» наряду с приемами трехмерного модели- рования широко использовались приемы и эффекты пиксель- ной графики. Анализируя современные тенденции развития кинемато- графии, можно уверенно предположить, что в будущем этой отрасли будет требоваться все больше специалистов по ком- пьютерной графике. 11 Трехмерное моделирование Трехмерное моделирование представляет собой большой комплекс методов и средств, предназначенных для создания сеточной информационной модели объекта (совокупности объектов), внесения в нее изменений, и построения по ней как отдельных изображений, так и их последовательностей, со- ставляющих анимационные ролики. Сеточная информацион- ная модель – это обобщение векторной модели изображения, позволяющее описывать не только двухмерные объекты (ко- торых достаточно, чтобы описать любое плоское изображе- ние), но и пространственные оболочки. В силу этого сеточная модель включает в себя информационные модели как вектор- ного, так и пиксельного изображений, а программные сред- ства трехмерного моделирования реализуют многие методы работы с этими моделями из арсенала компьютерной графики. Более того, векторные информационные модели могут служить в качестве исходного материала для трехмерного мо- делирования. Например, при построении трехмерной модели, соответствующей телу вращения или телу экструзии, образу- ющие кривые могут строиться в программе векторной графи- ки с последующим импортированием в программу трехмерно- го моделирования. Методы и средства пиксельной графики незаменимы при формировании текстур и карт, позволяющих имитировать оп- тические свойства поверхностей объектов при построении изображения по трехмерной модели. Не обойтись без них и при создании фона трехмерной сцены, и при настройке нало- жения сложных текстур на модель объекта. Поэтому можно утверждать – чтобы достичь высокой ква- лификации в трехмерном моделировании, необходимо владеть арсеналом средств и методов компьютерной графики. При ра- боте над крупными проектами трехмерного моделирования (такими, как подготовка архитектурного проекта или трех- 12 мерного анимационного фильма) в состав коллектива разра- ботчиков всегда включаются специалисты в области компью- терной графики. Фотография Лавинообразный рост числа цифровых фотокамер во всех секторах рынка фототехники (от камер для начинающих и любителей, в котором пленочная техника вытеснена полно- стью, до аппаратуры профессионалов, постоянно совершен- ствующейся) с неизбежностью привел к интеграции средств компьютерной графики в работу фотографов. Фотокамера ав- томатически формирует информационную модель пиксельно- го изображения, поэтому к цифровым фотографиям примени- мы все методы и приемы пиксельной графики. На практике фотографы пользуются средствами компью- терной графики для устранения дефектов изображений, их допечатной подготовки, тонирования и фотомонтажа. Множе- ство приемов разработано для компьютерной ретуши фото- графий, развившейся в обширную прикладную отрасль ком- пьютерной графики. Большинство профессиональных фото- графов размещают информацию о себе и своих работах на собственных и корпоративных сайтах, большая часть фото- продукции продается также через Интернет. Естественно, подготовка фотографий к публикации в Сети также невоз- можна без средств компьютерной графики. Автоматизация проектирования Предмет автоматизации проектирования – автоматическая и автоматизированная подготовка проектно-конструкторской до- кументации, по которой впоследствии может быть изготовлено и проверено на соответствие требованиям некоторое изделие. По своему составу проектно-конструкторская документация разде- ляется на текстовую и графическую. К последней относятся чер- тежи и схемы, представляющие собой изображения, построен- ные в соответствии с общепринятой системой условностей. В России эта система зафиксирована документами ЕСКД (Единой 13 Системы Конструкторской Документации). Эти документы с точки зрения информационного анализа представляют собой сложные информационные модели, достаточно полно описыва- ющие изделия, технологию их изготовления и определяющие содержание и последовательность процессов производства. Поскольку значительная часть документов представляют собой изображения, информационная модель векторного изображения включается неотъемлемой частью в упомянутые информационные модели. Соответственно, в автоматизации проектирования оказываются удобными многие приемы ком- пьютерной графики, автоматизирующие работу с информаци- онной моделью векторного изображения. Подсистемы компь- ютерной графики часто выступают в качестве ядра, на основе которого строятся САПР (системы автоматизации проектиро- вания). Наиболее яркий пример такого подхода – система AutoCAD. Но проектные документы являются лишь конечным результа- том труда проектировщиков. Арсенал компьютерной графики применяется не только для их выпуска. Начальные стадии про- ектирования чаще всего выполняются средствами графического моделирования (двухмерного и трехмерного), в котором также не обойтись без средств компьютерной графики. Деловая графика Термином деловая графика (бизнес-графика) обозначают специальный класс графических изображений, позволяющих представлять в наглядной форме числовые данные и снабжать своеобразными графическими комментариями изображения различного назначения. Некоторые авторы относят к сфере деловой графики системы указательных, предупредительных и информационных знаков. Наиболее часто деловая графика востребована при подготовке всевозможных отчетов, докла- дов, презентаций. Достаточно часто объекты деловой графики используются при подготовке научной и учебной литературы. 14 Эффективность применения средств и методов компьютер- ной графики настолько очевидна, что сегодня доля материа- лов к докладам и выступлениям, отчетов, подготовленных «вручную», без программных средств, стала пренебрежимо мала. Основное преимущество применения компьютерной графики в этой области – возможность за очень короткое вре- мя проверить несколько вариантов представления данных, выбрать из них наилучший, и, по мере необходимости, опера- тивно внести в него изменения. Формально можно выделить четыре главные области при- менения компьютерной графики: 1. Отображение информации (визуализация). На протяже- нии многих столетий картографы и астрономы вычерчивали карты, чтобы представить информацию о расположении небесных тел и географических областей. Визуализация (Rendering) – создание плоских изображений трехмерных (3D) моделей. 2. Проектирование. Проектирование является одной из ос- новных стадий создания изделий и сооружений в технике и строительстве. Проектирование – это процесс, в ходе которого создается прототип, прообраз необходимого объекта. В строительстве и технике чертежи давно представляют собой основу проектирования новых сооружений или изде- лий. Процесс проектирования с необходимостью является итеративным, т.е. конструктор перебирает множество вариан- тов с целью выбора оптимального по каким-либо параметрам. Не последнюю роль в этом играют требования заказчика, кото- рый не всегда четко представляет себе конечную цель и техни- ческие возможности. Построение предварительных макетов – достаточно долгое и дорогое дело. Сегодня существуют разви- тые программные средства автоматизации проектно- конструкторских работ (САПР), позволяющие быстро создавать чертежи объектов, выполнять прочностные расчеты и т. п. 15 Они дают возможность не только изобразить проекции из- делия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон. Такие средства также чрезвычайно полезны для ди- зайнеров интерьера, ландшафта. 3. Моделирование. Как только графические системы стали обладать достаточной производительностью для создания сложных динамических изображений, возникла идея приме- нять их в качестве средства моделирования реальной обста- новки (симулятора) на разного рода тренажерах. Моделирование (modeling) – создание и представление трехмерных (3D) моделей. Первыми такие системы освоили авиаторы. Это позволило значительно снизить стоимость обучения, гарантируя при этом его высокое качество. В телевидении, кинематографии и рекламном деле в по- следнее время также широко используются средства КГ. По- явилась еще одна область применения средств КГ – формиро- вание виртуальной реальности (VR). С помощью такой систе- мы хирург может отработать методику операции, астронавт может подготовиться к выходу в открытый космос и др. 4. Пользовательский интерфейс. В последнее время визу- альная парадигма стала доминирующей в сфере взаимодей- ствия пользователя с компьютером. Интерфейс – это совокупность средств и методов обеспе- чения взаимодействия между элементами системы. Пользовательский интерфейс – элементы и компоненты программы, способные оказывать влияние на взаимодействие пользователя с программным обеспечением. В том числе: • средства отображения информации; • командные режимы, язык «пользователь-интерфейс»; • устройства и технологии ввода данных; • диалоги между пользователем и компьютером; 16 • обратная связь с пользователем и т. д. Графический пользовательский интерфейс (graphical user interface, GUI) – обеспечивает возможность управления пове- дением вычислительной системы через визуальные элементы управления – окна, списки, кнопки, гиперссылки и т.д. Первые операционные системы использовали способ взаи- модействия через командную строку. Взаимодействие оператора с вычислительной машиной яв- ляется важным звеном вычислительного процесса при реше- нии различных прикладных задач как научного, так и произ- водственного плана. Визуальный метод предполагает исполь- зование различного рода окон, меню и устройств указания, таких как мышь. Методы представления графической информации Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают всего три вида компьютерной графики. Это раст- ровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую и векторную. Растровая графика Растровая графика – способ построения изображений, в ко- тором изображение представляется массивом простейших элементов – пикселей, где каждый пиксель имеет четко задан- ное положение. Растровая графика имеет весьма точный аналог в реальном мире – мозаику. В растровой графике цельное изображение составляется из отдельных элементов, называемых пикселями. Все они одина- кового размера и формы, упорядоченно размещены и разли- 17 чаются только цветом. За счет малого размера пиксели не воспринимаются глазом как отдельные объекты, и мы видим только цельное изображение. Достоинства растровой графики – растровые редакторы являются наилучшим средством обра- ботки фотографий и рисунков, т. к. обеспечивают высокую точность передачи градаций цветов и полутонов. Недостатки растровой графики: • растровая графика чрезвычайно чувствительна к измене- нию размера рисунка, и масштабировать ее затруднительно; • хранение и обработка файлов растровой графики требует больших объемов памяти. Пиксели, составляющие изображение, могут быть разного цвета. Цвет каждого пикселя записывается комбинацией би- тов. Чем больше битов используется для представления цвета, тем больше цветов и оттенков мы получаем. Глубина буфера кадра – величина, характеризующая коли- чество бит информации, определяющих засветку каждого от- дельного пикселя, в частности количество цветов, которое может быть представлено на экране данной системы. Глубина буфера 1 бит – двухградационное изображение; 8 бит это 28 = 256 цветов. Современные полноцветные системы характеризуются глубиной буфера 24 бита. Это системы с правильной цветопе- редачей, или RGB системы, поскольку в кодировке засветки каждого пикселя можно выделить отдельные группы битов, характеризующие интенсивность засветки по каждому из ос- новных цветов – красному (Red), зеленому (Green) и синему (Blue). Размер буфера кадра определяет одну из главных характе- ристик графической системы – разрешающую способность, или разрешение. Разрешение изображения – это количество пикселей на единицу длины. 18 При этом следует различать: • Разрешение оригинала. Разрешение оригинала в мировой практике измеряют в точках на дюйм (dots per inch – dpi). • Разрешение экранного изображения. Для экранных копий разрешение измеряется в пикселях на дюйм (ppi). • Разрешение печатного изображения. Векторная графика Векторная графика – изображение на основе регулярных структур. Изображения этого типа определяются на основе простейших геометрических понятий – примитивов (точка, отрезок прямой, прямоугольник, треугольник и т. д.). Векторное изображение – это тип изображения, которое со- стоит из геометрических объектов, описанных математически. Например, для окружности достаточно задать координаты ее центра, радиус и цвет. Для масштабирования достаточно присвоить соответствующим параметрам новые значения. Та- ким образом, здесь каждый элементарный объект задается вектором (линией) и некоторыми параметрами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. У векторной графики много достоинств. Она экономна в плане дискового пространства, необходимого для хранения изображений: это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, исполь- зуя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых характеристик почти не увеличивает размер файла. Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображения. Масштабирование, пово- рот, искривление могут быть сведены к нескольким элемен- тарным преобразованиям над векторами. 19 В тех областях графики, где важное значение имеет сохра- нение ясных и четких контуров, например, в шрифтовых ком- позициях, в создании логотипов и прочее, векторные про- граммы незаменимы. Итак, векторные изображения, равно как и растровые, имеют свои плюсы и минусы. Достоинства: • можно изменять размеры изображений без потери его ви- зуальных качеств; • максимальная точность построенного изображения (коор- динаты точек, между которыми могут быть проведены кри- вые, могут иметь точность до сотых доль микрона); • файл с векторным изображением имеет значительно меньший размер по сравнению с растровым изображением; • рисунок имеет высокое качество при печати; • возможность редактирования всех частей векторного изображения; • простой экспорт векторного рисунка в растровый. Есть так же и минусы векторных изображений: • отсутствие реалистичности у векторных рисунков. Реали- стичность достигается путем применения различных сложных цветовых схем; • невозможность использования эффектов, которые можно применять в растровой графике; • практически полная невозможность экспорта растрового рисунка в векторный. Фрактальная графика Фрактальная графика основана на автоматической генера- ции изображений путем математических расчетов. Создание фрактальных изображений основано не в рисовании, а в про- граммировании. Фрактальная графика редко используется в печатных или электронных документах. 20 Фрактал – геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Понятия фрактал и фрактальная геометрия появились в конце 70-х – середине 80-х. Слово «фрактал» образовано от латинского «fractus» и в переводе означает состоящий из фрагментов. Понятие «фрактал» было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. Рожде- ние фрактальной геометрии принято связывать с выходом в 1977 году книги Мандельброта «The Fractal Geometry of Nature». В его работах использованы научные результаты дру- гих ученых, работавших в период 1875–1925 годов в той же области (Пуанкаре, Фату, Жюлиа, Кантор, Хаусдорф). Роль фракталов в КГ сегодня достаточно велика. Они при- ходят на помощь, например, когда требуется, с помощью не- скольких коэффициентов, задать линии и поверхности очень сложной формы. С точки зрения компьютерной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации облаков, гор, поверхности моря. Фактически найден способ легкого представления сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные. Определение фрактала, данное Мандельбротом, звучит так: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, кото- рые в каком-то смысле подобны целому». Одним из основных свойств фракталов является самоподо- бие. В самом простом случае небольшая часть фрактала со- держит информацию о всем фрактале. Фрактал можно определить как объект довольно сложной формы, получающийся в результате выполнения простого итерационного цикла. Итерационность, рекурсивность обу- славливают такие свойства фракталов, как самоподобие – от- дельные части похожи по форме на весь фрактал в целом. 21 Форматы файлов графики Рассмотрим некоторые наиболее широко распространен- ные форматы векторных и растровых изображений. К векторным форматам относятся: • .cdr – основной внутренний формат программы Corel DRAW (внутренний – это означает, что данный формат ис- пользуется только программой Corel DRAW и никакой боль- ше); • .pct – векторный формат, используемый на компьютерах Apple Macintosh в операционных системах Mac; • .ai – внутренний формат файла для программы Adobe Illustrator; • .wmf (windows metafile) – является «внутренним» форма- том ОС Windows на платформе IBM PC. Изначально предна- значен для обмена векторными данными между приложения- ми через буфер обмена. Однако не все программы умеют об- рабатывать его код. Результатом при переносе изображений является искажение цветов, неправильная установка толщины контура и т. д. Кроме того, в этот формате нельзя включить растровое изображение. Все вышеперечисленные форматы поддерживаются про- граммой Corel DRAW. К растровым форматам относятся: • .jpeg / .jpg (Joint Photographic Expert Group) является мето- дом (алгоритмом) сжатия изображений с потерей части ин- формации. Применение компрессии JPEG позволяет в 500 раз уменьшить объем файла по сравнению с обычным bitmap. Вместе с тем искажение цветовой модели и деградация дета- лей не позволяют рекомендовать JPEG в качестве средства хранения изображения высокого качества. Обычно JPEG ис- пользуют для электронных публикаций; 22 • .gif (CompuServe Graphics Interchange Format) разработан в 1987 г. Формат поддерживает функции прозрачности цветов и некоторые виды анимации. Все данные в файле сжимаются методом Lempel – Ziv – Welch (LZW) без потери качества; • .png (Portable network graphics) – растровый формат хра- нения графической информации. Все данные в файле сжима- ются методом Deflate (сжатие без потерь). Формат PNG явля- ется аналогом формата GIF (за исключением анимации) и воз- ник после перехода формата GIF в разряд коммерческих про- дуктов; • .bmp (Windows Device Independent Bitmap) служит для обмена растровыми изображениями между приложениями ОС Windows. Формат поддерживает большинство цветовых моде- лей, вплоть до 24-битного пространства RGB. Файлы в формате BMP занимают значительный объем. Ка- чество изображений, выводимых на печать, ввиду ограничен- ности цветовых моделей оставляет желать лучшего. Формат BMP в настоящее время устарел и не имеет каких-либо види- мых достоинств, оправдывающих его применение; • .tiff (Tagged Image File Format) считают лучшим вариан- том для записи полутоновых изображений. Формат TIFF рас- познается практически всеми программами верстки, растро- выми и векторными редакторами и позволяет хранить изображения высочайшего качества. Последние версии фор- мата TIFF поддерживают несколько способов сжатия изобра- жения: LZW (без потери информации), ZIP (без потери ин- формации), JPEG (с потерей части информации). Универсаль- ным считают метод сжатия LZW. Цветовые модели Способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты называется цветовой моделью. 23 Цветовая модель RGB Цветовая модель RGB (Red Green Blue) – аддитивная цве- товая модель, согласно которой цвет кодируется тремя ком- понентами – красным, зеленым и синим. Аддитивный от add – сложить. Основные цвета складыва- ются, образуя результирующие цвета. Модель RGB используется для излучаемого цвета, т. е. при подготовке экранных документов. Для модели RGB каждая из компонент может представ- ляться числами, ограниченными некоторым диапазоном, – например дробными числами от 0 до 1 либо целыми числами от 0 до некоторого максимального значения (рис. 1.8). В настоящее время достаточно распространенным является формат True color, в котором каждая компонента представлена в виде байта, что дает 256 градаций для каждой компоненты: R = 0 . . . 255, G = 0 . . . 255, B = 0 . . . 255. Количество цветов составляет 256 ⋅ 256 ⋅ 256 = 16.7 млн (224). Такой способ кодирования цветов можно назвать компо- нентным. В компьютере коды изображений True color пред- ставляются в виде троек байтов либо упаковываются в длин- ное целое (четырехбайтное) – 32 бита (так, например, сделано в API Windows): C = 0000000 bbbbbbb ggggggg rrrrrrr; При ограничении количества цветов используют палитру, представляющую набор цветов, важных для данного изображения. Палитру можно воспринимать как таблицу цве- тов. Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели. В цветовой модели RGB любой цвет можно представить в виде комбинации трех основных цветов: красного (Red), зеле- ного (Green) и синего (Blue). Эти цвета называются цветовы- ми составляющими. Чем больше значение байта цветовой со- ставляющей, тем ярче этот цвет. При наложении одной со- 24 ставляющей на другую яркость суммарного цвета также уве- личивается. Поэтому цветовая модель RGB, использующаяся для излучаемого цвета, называется аддитивной. В качестве примера в таблице 1.1 приведена стандартная палитра дисплейных 16-цветных видеорежимов EGA, VGA. Таблица 1.1 – Палитра видеорежимов Недостатком такой палитры можно считать отсутствие од- ного из важных цветов – оранжевого. Существуют также иные стандартные палитры, например 256-цветная для VGA. Ком- пьютерные видеосистемы обычно предоставляют возмож- ность программисту установить собственную палитру. Цветовая модель CMYK Цветовая модель CMYK (Cyan Magenta Yellow BlacK) – субтрактивная цветовая модель, согласно которой цвет кодируется четырьмя компонентами – голубым, лиловым, желтым и черным. Данная модель используется при работе с отраженным цве- том, т. е. для подготовки печатных документов. Субтрактивный от subtract – вычесть. Основные цвета вы- читаются друг из друга, образуя результирующие цвета. 25 Эти цвета получаются в результате вычитания основных цветов модели RGB из белого цвета. Черный цвет задается отдельно. Увеличение количества краски приводит к уменьшению яркости цвета. Поэтому цветовая модель CMYK, использующаяся для отраженного цвета, называется субтрактивной. Цветовая модель HSB Цветовая модель HSB (Hue Saturation Brightness) – цветовое пространство, основанное на трех характеристиках цвета: цве- товом тоне, насыщенности и яркости. Системы цветов RGB и CMYK связаны с ограничениями, накладываемыми аппаратным обеспечением (монитор компь- ютера в случае RGB и типографские краски в случае CMYK). Модель HSB наиболее удобна для человека, т. к. она хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Компонентами модели HSB являются: • тон – это конкретный оттенок цвета; • насыщенность – характеризует его интенсивность; • яркость цвета – зависит от примеси черной краски, добав- ленной к данному цвету. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из цен- тра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по границе окружности – чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Модель HSB удобно применять при создании собственно изображения, а по окончании работы изображение можно преобразовать в модель RGB или CMYK. |