Графические редакторы. Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде было реализовано в середине 50х годов для больших эвм, применявшихся в научных и военных исследованиях
 Скачать 413.66 Kb.
|
|
">http://www.allbest.ru Введение Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью компьютерных систем, в особенности персональных. Компьютерная графика - раздел информатики, который изучает средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники. Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступные для человеческого восприятия на экране монитора или в виде копии на внешнем носителе (бумага, ткань, кинопленка). На сегодняшний день компьютеры и компьютерная графика неотъемлемая часть жизни современного общества. Мы нечего не можем сделать без помощи компьютера. Визуальное представление данных находит свое применение в различных сферах человеческой деятельности: в медицине (компьютерная томография), в научных исследованиях (визуализация строения вещества, векторных поле), проектирование (автоматизация проектно-расчетных работ и конструкторских разработок). В своей работе я более подробно рассмотрю виды графических редакторов и проведу сравнительный анализ, так же я рассмотрю современные средства компьютерной графики. 1. Общие сведения о компьютерной графике Компьютерная графика в настоящее время сформировалась как наука об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Компьютерная графика. Компьютерная графика - это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ, другими словами это раздел информатики, который занимается проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликаций) на компьютере. В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи: представление изображения в компьютерной графике; подготовка изображения к визуализации; создание изображения; осуществление действий с изображением. Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера. Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения. Интерактивная компьютерная графика-это так же использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени. Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления. Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера. Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа. Области применения компьютерной графики. Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Рассмотрим следующие области применения компьютерной графики: Научная графика. Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства-графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов. Деловая графика. Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц. Конструкторская графика. Используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения. Иллюстративная графика. Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами. Художественная или рекламная графика. Художественная или рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео уроки, видео презентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и “движущих картинок”. Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики. Компьютерная анимация. Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа. Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений. Виды компьютерной графики. Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают всего три вида компьютерной графики. Это растровая, векторная, фрактальная и трехмерная. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. Векторная графика-метод построения изображений, в котором используются математические описания для определения положения, длинны и координаты выводимых линий. В данном случае вектор-это набор данных, характеризующих какой-либо объект. Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньше степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. 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. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создаются в ручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. Фрактальная графика - напрямую связана с векторной графикой. Как и векторная, фрактальная графика вычисляема, но отличается тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому нечего, кроме формул, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций. Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности. 2. Растровая графика Термин растровая графика достаточно очевиден, если усвоить понятия, относящиеся к растровым изображениям. Растровое изображение представляет собой мозаику из очень мелких элементов-пикселей. Растровый рисунок похож на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена определенным цветом, и в результате такой раскраски формируется изображение. Принцип растровой графики чрезвычайно прост. Он был изобретен и использован людьми за много веков до появления искусства, как мозаика, витражи, вышивка. В любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов. Во-вторых, это рисование “по клеточкам” - эффективный способ переноса изображения с подготовленного картона на стену, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены. Пиксель - основной элемент растровых изображений. Пиксель-это самая маленькая единица цифрового изображения. Каждый пиксель имеет определенное положение и цвет. Хранение каждого пикселя требует определенного количества битов информации, которое зависит от количества цветов в изображении. Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения, чем выше, тем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение. Во-вторых, чем больше количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). При редактировании растровой графики, редактируются пиксели, а не линии. Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть фиксированы компьютером. Самыми важными являются: разрешение, размер и цветовая модель. Размер измеряется в Мп (мегапиксель), а разрешение измеряется в dpi или ppi. Разрешение - это количество пикселей на дюйм для описания отображения на экране или количество точек на дюйм для печати изображений. Существует несколько устоявшихся правил: для публикации изображения в сети Интернет используют разрешение 72 ppi, а для печати 300 dpi (ppi). Требования микростоков к изображениям 300 dpi, так как многие работы покупают именно для печати. Размер - общие количество пикселей в изображении, обычно измеряется в Мп (мегапикселях), это всего лишь результат умножения количества пикселей по высоте на количество пикселей по ширине изображения. То есть, если величина фотографии 2000х1500, то ее размером будет 2000*1500=3 000 000 пикселей или 3Мп. Цветовая модель - характеристика изображения, описывающая его представление на основе цветовых каналов. Известно 4 цветовые модели: RGB (красный, зеленый и синий каналы), CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный), LAB (“светлота”, красно-зеленый и сине-желтый), Grayscale (оттенки серого). Растровое изображение зависит от глубины цвета и разрешения. Глубина цвета. Глубина цвета задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 и 32 бита. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле:  ,где I - глубина цвета. Разрешающая способность экрана. Графический режим вывода изображения на экран монитора определяется величиной разрешающей способности. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке должна хранится в видеопамяти компьютера. Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшают качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи. Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, так как новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами. С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости. Распространенные форматы растровой графики: .tif., .gif., .jpg., .png., .bmp. Достоинства растровой графики. Возможность воспроизведения изображения любого уровня сложности. Количество деталей, воспроизводимых, на изображении во многом зависит от количества пикселей. Точная передача цветовых переходов. Наличие множества программ для отображения и редактирования растровой графики. Абсолютное большинство программ поддерживают одинаковые форматы файлов растровой графики. Недостатки растровой графики. В файле растрового изображения запоминается информация о цвете каждого видео пикселя в виде комбинации битов. Бит – наименьший элемент памяти компьютера, который может принимать одно из двух значений: включено или выключено. Простые растровые картинки занимают небольшой объем памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества требуют несколько мегабайт. Таким образом, для хранения растровых изображений требуется большой объем памяти. Самым простым решением проблемы хранения растровых изображений является увеличение емкости запоминающих устройств компьютера. Другой способ решения проблемы заключается в сжатии графических файлов, то есть использовании программ, уменьшающих размеры файлов растровой графики за счет изменения способа организации данных. Растровое изображение после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Например, области однотонной закраски могут приобрести странный («муаровый») узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожиданно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечетким и ступенчатым, а закрашенные области могут быть искажены. Это значит, что растровые изображения имеют очень ограниченные возможности при масштабировании, вращении и других преобразованиях. 3. Векторная графика Векторная компьютерная графика имеет на сегодняшний день очень широкую область применения в самых различных областях человеческой деятельности, начиная от рекламы на страницах газеты и заканчивая разработкой проектов в таком виде промышленности как космическая. В векторной графике изображении строятся из простых объектов – прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей) и тому подобное, называемых примитивами. Из простых векторных объектов создаются различные рисунки. Линия - это элементарный объект векторной графики. Векторное изображение можно сравнить с аппликацией, состоящей из кусочков цветной бумаги, наклеенных (наложенных) один на другой. Однако, в отличие от аппликации, в векторном изображении легко менять форму и цвет составных частей. Векторный графический объект включает два элемента: контур и его внутреннюю область, которая может быть пустой или иметь заливку в виде цвета, цветового перехода (градиента), или мозаичного рисунка. Контур может быть как замкнутым, так и разомкнутым. В векторном объекте он выполняет двойную функцию. Во-первых, с помощью контура можно менять форму объекта. Во-вторых, контур векторного объекта можно оформлять (тогда он будет играть роль обводки), предварительно задав его цвет, толщину и стиль линии. При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества. В основе векторной компьютерной графики лежит расчёт координат экранных точек, входящих в состав линии контура изображения, поэтому этот вид компьютерной графики называют вычисляемым. В основе векторной графики лежат математические представления о свойствах геометрических фигур (в основном этот процесс затрагивает расчёты, связанные с представлением линии). Векторная графика использует для построения изображений координатный способ. Для её математического представления используются: точка, прямая, отрезок прямой, парабола, отрезок параболы, функция y=x³, кривая второго порядка, кривая третьего порядка, кривая Безье. Соподчинёнными для понятия линия являются: точка, конец кривой линии, управляющая линия касательная к кривой, изгиб кривой, маркер управляющей линии. Также как и линия, основным базовым понятием для векторной графики является объект. Объектом называется любой графический элемент внутри векторного изображения, состоящий из отрезка прямой или кривой линии или замкнутого контура. При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления. Векторное представление именно и заключается в описании элементов изображения математическими кривыми с указанием их цветов. Одним из примеров: красный эллипс на белом фоне будет описан всего двумя математическими формулами - прямоугольника и эллипса соответствующих цветов, размеров и местоположения. Еще одно преимущество векторной графики - качественное масштабирование в любую сторону. Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах. Но, к сожалению, векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла. Векторные графические изображения являются оптимальным средством хранения высокоточных графических объектов (чертежи, схемы и прочие), для которых имеет значение сохранение четких и ясных контуров. Векторные графические изображения хранятся в памяти компьютера в виде графических примитивов и описывающих их математических формул. Например, графический примитив точка задается своими координатами (Х, Y), линия – координатами начала (X1, Y1) и конца (X2, Y2), окружность – координатами центра (X, Y) и радиусом (R), прямоугольник – координатами левого верхнего угла (X1, Y1) и правого нижнего угла (X2, Y2) и так далее. Для каждого примитива задается также цвет. Таким образом, векторная графика в основном «живет» созданием новых объектов, широко используется в дизайнерских проектах, в то время как растровая графика изначально создавалась и существует для обработки фотографий. Распространенные форматы векторной графики: .ai., .cdr., .cmx., .eps. Достоинства векторной графики: Небольшой размер файла при относительно несложной детализации изображения. Возможность неограниченного масштабирования без потери качества. Возможность перемещения, вращения, растягивания, группировки и т.д. так же без потери качества. Возможность позиционирования объектов по оси, перпендикулярной плоскости экрана (по оси z — «выше», «ниже», «выше всех», «ниже всех»). Возможность выполнения булевых преобразований над объектами — сложение, вычитание, пересечение, дополнение. Управление толщиной линий при любом масштабе изображения. Недостатки векторной графики. Большой размер файла при сложной детализации изображения. (Бывают случаи, что из‑за множества мелких сложных деталей размер векторного изображения гораздо превышает размер его растровой копии). Трудность передачи фотореалистичного изображения (следует из 1‑го недостатка). Проблемы совместимости программ, работающих с векторной графикой, при этом не все программы открывают (или корректно отображают) даже «общепринятые» форматы (такие как eps), созданные в других редакторах. 4. Фрактальная графика Последней из рассматриваемых видов компьютерной графики - это фрактальная графика. Вы, наверное, часто видели довольно хитроумные картины, на которых непонятно что изображено, но все равно необычность их форм завораживает и приковывает внимание. Как правило, это хитроумные формы не поддающиеся, казалось бы, какому–либо математическому описанию. Вы, к примеру, видели узоры на стекле после мороза или, к примеру, хитроумные кляксы, оставленные на листе чернильной ручкой, так вот что–то подобное вполне можно записать в виде некоторого алгоритма, а, следовательно, доступно объясниться с компьютером. Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников. Понятия фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Классификация фракталов: Геометрические фракталы. Алгебраические фракталы. Стохастические фракталы. Геометрические фракталы. Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов получается путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется "затравка" - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал. Далее к этой "затравке" применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил. С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и если мы проведем (по крайней мере, в уме), бесконечное количество преобразований - получим геометрический фрактал. Классические примеры геометрических фракталов - Снежинка Коха, Треугольник Серпинского, Драконова ломаная. Алгебраические фракталы. Свое название они получили за то, что их строят, на основе алгебраических формул иногда весьма простых. Методов получения алгебраических фракталов несколько. Один из методов представляет собой многократный (итерационный) расчет функции: Zn+1=f(Zn), где Z - комплексное число, а f некая функция. Расчет данной функции продолжается до выполнения определенного условия. И когда это условие выполнится - на экран выводится точка. При этом значения функции для разных точек комплексной плоскости может иметь разное поведение: С течением времени стремится к бесконечности. Стремится к 0. Принимает несколько фиксированных значений и не выходит за их пределы. Поведение хаотично, без каких либо тенденций. |