ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА. Учебное пособие для студентов специальности 220301 Москва 2011 2 Содержание
 Скачать 2.77 Mb.
|
|
Н аучно- У чебный Ц ентр И нтеллектуальное Д идактическое Е диное Я дро Рис 41. Схема представления взаимодействия описания изображения и самого изображения по средствам КГ, РО, и ОИ 4.1.3. Направления развития и улучшения компьютерной графики Существуют следующие основные направления развития компьютерной графики (рис. 42): R x y 2 2 2 R Y X 49 1) иллюстративное, 2) саморазвивающее, 3) исследовательское. Рис. 42. Направления развития компьютерной графики Первое направление включает очень широкий спектр средств, от простейших изображений, понятий, результатов действий, до сложных, таких как рекламные ролики, живая видеосъёмка, спецэффекты, комбинации и т. д. Второе направление связано с обслуживанием собственных потребностей компьютерной графики и служит для расширения её возможностей. Это связано с компьютерным оборудованием, программным обеспечением. Третье направление касается того, в чём компьютерная графика может служить инструментом для исследований, позволяя выявлять некоторые особенности, которые без неё не были доступны. Компьютерная графика совершенствуется с каждым годом в различных отношениях, однако, основными остаются следующие направления (рис. 43): 1) улучшение динамики изображений; 2) улучшение реалистичности изображений. Рис. 43. Направления совершенствования компьютерной графики Улучшение, как динамики, так и реалистичности требует значительных компьютерных ресурсов: быстродействия процессоров и памяти (в первую очередь оперативной и кэш-памяти). Развитие компьютерной графики создало новый изобразительный инструмент, который используется художниками, дизайнерами, архитекторами, скульпторами и т. д. Кроме того, существует целый класс профессиональных программных пакетов, которые объединены общей аббревиатурой CAD – Computer Aidded Design (проектирование с помощью компьютера). Компьютерная графика позволяет облегчить работу человека, освобождая его от рутинных операций ради творческих задач. Направления развития компьютерной графики Иллюстративное Саморазвивающее Исследовательское Направления совершенствованиякомпьютерной графики Улучшение динамики изображений Улучшение реалистичности изображений 50 4.2. Разновидности компьютерной графики Графические изображения по принципу действия и функциональному назначению можно разделить на три группы: 1. Растровая графика (bitmap, или raster); 2. Векторная графика (vector, или draw); 3. Фрактальная графика (fractal). Наиболее широко в компьютерной графике представлены первые два типа графики: растровая и векторная. Важно понимать принципиальные различия между двумя этими типами графики, так как каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны и свою сферу применения. 4.2.1. Растровая графика Растровая графика представляет изображение в виде совокупности точек, различающихся по цвету. При большом увеличении все точечные изображения выглядят как мозаика (сетка), состоящая из мельчайших ячеек. Сама сетка получила название растровой карты (bitmap), а ее единичный элемент называется пикселем (от англ. picture element – элемент изображения). Каждый из пикселей окрашивается в определенный цвет из имеющейся палитры. Простейший вид окрашивания – бинарный (всего 2 цвета – чёрный или белый) требует всего одного бита памяти. По способу отображения информации растровое изображение напоминает мозаичное панно. Если вы рассматриваете мозаичное изображение вблизи (при сильном увеличении), то стыки между отдельными деталями хорошо видны; если же вы отойдете подальше (что равносильно уменьшению масштаба), то мелкие элементы сливаются, и вы видите картину слитно, в целостном восприятии. Так же и с растровой графикой: если пиксели достаточно малы, то границы между ними незаметны и глаз воспринимает «пиксельную мозаику» (растр) как одно целое изображение (рис. 44). Рис. 44. Пример растрового изображения при увеличении его масштаба При масштабировании растровых изображений возникают характерные искажения – «ступеньки» (aliasing, или jaggies). В большинстве растровых редакторов «ступеньки» удается частично убрать за счет специальных приемов (например, anti-aliasing), но качество картинки от этого заметно снижается. 51 Рис. 45. Пример растрового изображения Недостатками растровой графики являются: 1) неудобство трансформации растровых объектов (при поворотах пиксели становятся явно видимыми, а при увеличении масштаба изображений пиксели также пропорционально увеличиваются и тоже «вылезают» – становятся отчетливо видимыми); 2) большие затраты памяти, к тому же увеличивающиеся с улучшением качества изображений; 3) сложность редактирования изображений; Достоинства растровой графики вполне очевидны: 1) высокая степень фотореалистичности изображений; 2) возможность автоматического ввода изображений в компьютер (например, с помощью сканера); 3) совместимость с текстом, другими объектами; 4) высокое быстродействие (на экран выводится все пиксели изображения одновременно, т.е. вся картинка целиком). 4.2.2. Векторная графика Изображение, созданное в векторных программах, основывается на математических формулах, а не на координатах пикселей и информации об их цвете. Поэтому векторные файлы содержат наборы инструкций для построения геометрических объектов – линий, эллипсов, прямоугольников, 52 многоугольников и дуг. В соответствии с этим основу векторных изображений составляют разнообразные линии и кривые, называемые векторными, или, по- другому, контурами. Каждый контур представляет собой независимый объект, который можно редактировать: перемещать, изменять, масштабировать. При этом качество изображения не изменяется (рис. 46), так как после внесения каких-либо изменений в файл происходит пересчет размера и места положения объекта изображения (т.е. при каждом выводе изображения происходит новый расчет изображения по математическим формулам, следовательно, образование «ступенек», как в растровой графике, невозможно). Рис. 46. Пример изменения масштаба векторного изображения К недостаткам векторной графики относятся: 1) невозможность непосредственного автоматического ввода векторных графических изображений в память компьютера; 2) высокие требования к быстродействию видеопроцессора (прежде чем выводить изображение, на каждом шаге нужно просчитывать по формулам координаты выводимых точек); 3) последовательный вывод на экран (отрисовывание) элементов изображения; Достоинствами векторной графики являются значительная экономия памяти и высокая четкость изображения, сохраняющаяся при любых преобразованиях. Векторные изображения могут быть созданы с помощью нескольких видов программ. Это, в частности: 1) редакторы векторной графики, например, Visio; 2) программы САПР, например, AutoCAD, ArchiCAD, OrgCAD; 3) специальные программы конвертирования растровых изображений в векторные, например, CorelTrace9, входящая в состав графического редактора CorelDraw. 53 4.2.3. Фрактальная графика Понятие фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70-х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур. Объект называется самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Определение фрактала, данное Мандельбротом: фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. К фрактальным множествам относят множество Кантора и ковер Серпинского. Они обладают геометрической инвариантностью и называются «множествами средних третей». Простейший вариант множества Кантора строится следующим образом. Рассмотрим отрезок единичной длины на вещественной оси. Этот отрезок делится на три равные части, причем средняя часть вырезается (рис. 47). Рис. 47. Построение множества Кантора Далее с каждым из оставшихся отрезков происходит то же самое: они делятся на три равные части, и средние части удаляются. В результате получается последовательность отрезков убывающей длины. На первом этапе это один отрезок, на втором – два, на третьем – четыре и т.д., на k–м – 2k. При k получим множество точек, называемое множеством Кантора. Суммарная длина всех вырезанных отрезков равна 1. Множество Кантора является фракталом. Для фрактала введено понятие фрактальной размерности. Для множества Кантора, которое состоит из N = 2n, разделенных интервалов длиной ε = (1/3)n, фрактальная размерность равна: ФР = n ln2/n ln3 ≈ 0,63 Обобщение множества Кантора средних третей на случай плоских фигур приводит к ковру Серпинского. Например, возьмем квадратную матрицу и разделим ее на девять равных квадратов. При первой итерации удалим центральный квадрат, аналогично поступим с каждым из оставшихся восьми квадратов и т.д. Пересечение полученных при k множеств – это ковер Серпинского (рис. 48). Для ковра Серпинского фрактальная размерность равна ФР 1,893. 54 Рис. 48. Построение ковра Серпинского а) б) Рис. 49. Примеры 2-х мерных фрактальных изображений: а) «Клоп», б) «Лиана» Рис. 50. Примеры 3-х мерных фракталов: а) Коха, б) «Куб» Другие примеры фрактальных изображений показаны на рис. 49 и 50. К достоинствам фрактальной графики следует отнести то, что фракталы являются одной из лучших моделей живой природы, а кроме того, исследование фракталов открывает невиданные перспективы для сжатия информации. Недостатком фрактальной графики является достаточно узкая область ее применения. 55 4.2.4. Цветовые модели и режимы Графическое изображение может быть представлено в разных видах, в частности – в различных цветовых моделях. Человеческий глаз фиксирует электромагнитные волны длиной от 380 до 760 нм как различные цвета – от красного до фиолетового. В видимом спектре семь цветов, но глаз не физический прибор, его можно «обмануть». Смесь синего и красного цветов он воспринимает как фиолетовый, а смесь синего и желтого – как зеленый. При представлении почти любого цвета или оттенка можно обойтись всего тремя цветами, что технически значительно проще. Способ отображения цветового пространства с помощью набора базовых цветов называют цветовой моделью. Обычно в качестве основных (базовых) цветов используют красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета. Этот способ представления называют цветовой моделью RGB. Но это не единственно возможная цветовая модель, существуют и другие. Цветовая модель R G B используется во многих видеоустройствах: мониторах, сканерах, цифровых фотокамерах и др. Нужный цвет получается как сумма (addition) базовых цветов ( Red , Green , Blue ) (рис. 51). Рис. 51. Графическое представление аддитивной цветовой модели RGB Цветовая модель C M Y (система основных цветов: голубой, малиновый, желтый) используется в цветной печати. Нужный цвет получается как разность (subtraction) белого и базовых цветов ( Cyan , Magenta , Yellow ) (рис. 52): R G B ( 1 , 0 , 0 ) ( 0 , 0 , 1 ) ( 0 , 1 , 1 ) ( 0 , 1 , 0 ) ( 1 , 1 , 0 ) ( 1 , 0 , 1 ) ( 1 , 1 , 1 ) ( 0 , 0 , 0 ) M C Y B G R Y M C 1 1 1 56 Рис. 52. Графическое представление субтрактивной цветовой модели CMYK От модели CMYможно перейти к модели RGB, вычитая из белого: Модель C M Y Kиспользуется в цветной печати из практических соображений: чтобы избежать расточительного расхода цветных красителей для получения черного цвета этот черный цвет вводится отдельно и добавляется к трем базовым цветам, и получается C M Y K ( Cyan , Magenta , Yellow , blacK). Модели RGB, CMY, CMYK ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой, а для задания цвета человеком неудобны. С другой стороны, модель HSV(Hue, Saturation, Value – Оттенок, Насыщенность, Значение), иногда называемая HSB (Hue, Saturation, Brightness – Оттенок, Насыщенность, Яркость), больше ориентирована на работу с человеком и позволяет задавать цвета, опираясь на интуитивные понятия тона, насыщенности и яркости. Данная модель представлена на рис. 53 в каркасном виде, на ней отражены основные направления цветопереходов. Рис. 53. Схематическое представление графической модели HSV (HSB) 1 1 1 Y M C B G R 57 Рис. 54. Представление цветовой палитры в графическом редакторе с помощью модели HSV 4.2.5. Видеокарты Для реализации вывода изображения на монитор в состав компьютера входит видеокарта, или видеоадаптер. Она определяет следующие показатели: 1) скорость обработки информации; 2) четкость изображения; 3) цветность рабочего поля экрана (поддерживаемые цветовые режимы). Основные функции видеокарты: а) хранение изображения, для этого используется видеопамять; на каждый пиксель отводится определённое количество бит для хранения основных цветов; б) регулярный вывод изображения на экран монитора с определённой частотой. Каждый из видеоадаптеров поддерживает несколько режимов работы, отличающихся размерами матрицы пикселей (разрешением) и цветовой палитры. Растровые изображения требуют очень много памяти, это еще один недостаток данного типа компьютерной графики. Рассчитать количество необходимой памяти под размещение изображения можно следующим образом: , c w h M где M (memory) – количество памяти под изображение; h (height) – количество пикселей по вертикали; w (width) – количество пикселей по горизонтали; c (colour) – цветовой режим. 58 480 пикселей по вертикали 640 пикселей по горизонтали 256 градаций цвета (8 бит) 3 цвета Рис. 55. Графическое представление видеопамяти компьютера Пример. Если рассматривать растровое изображение размером 640x480 пикселей в цветовом режиме RGB Color 24 bit, то количество необходимой памяти для хранения этого изображения рассчитывается следующим образом (рис. 55): h = 480 (количество пикселей по вертикали); w = 640 (количество пикселей по горизонтали); c = 256 * 256 * 256 = 2 8 * 2 8 * 2 8 = 2 8*3 = 2 24 (по 8 бит на каждый из основных цветов в палитре); M = 480 * 640 * 24 бит = 7372800 бит = 900 Кбайт. Достоинствами растровой графики являются высокая степень фотореалистичности и возможность автоматического ввода в компьютер (например, с помощью сканера или цифрового фотоаппарата). Примеры цветовых режимов, применяемых при использовании растровой графики: · Черно-белый (Black and White), 1-bit; · Градации серого (Grayscale), 8-bit или 16-bit; · Дуплекс (Duotone), 8-bit; · Палитра (Paletted), 8-bit; · RGB True Color, 24-bit; · CMYK Color, 32-bit. 4.2.5. Форматы графических файлов Изображения сохраняются в памяти в файлах определенного конкретного вида, называемого форматом графического файла. Существует довольно много различных графических файлов, отличающихся теми или иными особенностями. Здесь приведем краткие характеристики лишь нескольких наиболее используемых форматов. 59 Формат BMP (BitMaP) создан фирмой Microsoft и является одним из первых графических растровых форматов. Его распознает любая программа, работающая с графикой, поддержка формата интегрирована в операционные системы Windows и OS/2. BMP используется для представления растровых изображений в модели RGB с глубиной цвета до 48 бит и максимальным размером 65535x65535 пикселей. В принципе, формат предполагает использование простейшего алгоритма сжатия RLE (Run Length Encoding) без потерь информации. На данный момент формат BMP практически не используется ни в интернете (JPG весит в разы меньше), ни в полиграфии (TIFF справляется с этой задачей лучше). |