47371

Компьютерная графика. Графическое представление информации

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Графическое представление информации используется во многих областях визуальной коммуникации: от произведений изобразительного искусства, которое призвано будить у человека эмоции и вызывать чувство прекрасного, до всевозможных символов, например дорожных знаков, которые предназначены только для информативных целей и у опытных водителей могут даже не достигать области осознаваемого восприятия.

Русский

2014-03-30

57.87 KB

5 чел.

Тема 5. Компьютерная графика

Графическое представление информации используется во многих областях визуальной коммуникации: от произведений изобразительного искусства, которое призвано будить у человека эмоции и вызывать чувство прекрасного, до всевозможных символов, например дорожных знаков, которые предназначены только для информативных целей и у опытных водителей могут даже не достигать области осознаваемого восприятия.

Под графической информацией понимается совокупность информации, которая нанесена на различные носители — бумагу, пленку, кальку, картон, холст, оргалит, стекло, стену и т.д. Многообразие графических носителей и видов изображения, в общем, не поддается учету потому, что существует огромное количество промежуточных вариантов. Человек и электронные устройства по-разному анализируют изображение, поэтому при работе с компьютерной графикой это необходимо учитывать.

Компьютерная технология имеет свою специфику, которая заключается в том, что изображение должно быть преобразовано в цифровую форму или закодировано. Существует несколько способов кодирования графической информации: векторная, растровая и фрактальная графика.

Растровая графика. При подобном виде кодировки любое изображение состоит из совокупности очень мелких элементов (точек), которые называются пикселам (рiхеl). Слово «пиксел» - это аббревиатура от английских слов рicture element (элемент изображения).

Такой тип кодировки мы получаем, когда делаем фотографию, сканируем изображение и т.д.

Цвет каждого пикселя записывается в память компьютера при помощи определенного количества битов. Бит - минимальная единица памяти компьютера, которая может хранить либо значение 0, либо 1. Число цветов, в которые можно раскрасить отдельный пиксель, определяется двумя в степени, равной количеству битов, хранящих цветовую информацию о пикселе. В контрастной черно-белой картинке каждый пиксель кодируется одним битом (два цвета: черный и белый). Восьмибитное (28) изображение позволяет иметь в распоряжении 256 цветов, а 24 бита (224) обеспечивают присутствие в изображении более 16 миллионов цветов, что дает возможность работать с изображениями профессионального качества. Подобная характеристика изображения называется глубиной цвета. Размер файла растрового изображения - это произведение площади изображения на разрешение и на глубину цвета.

Растровое изображение можно сравнить с мозаикой. Это значит, что, работая с растровыми изображениями, мы работаем не над конкретными объектами, а над составляющими их группами пикселей. Растровые изображения обеспечивают высокую точность передачи цветов, а также высокую детализацию изображения.

Таблица 7. Достоинства и недостатки растрового формата графики

Достоинства

Недостатки

простота и техническая реализуемость автоматизации ввода или оцифровки изобразительной информации (при помощи сканеров, видеокамер, цифровых фотоаппаратов);

фотореалистичность.

качественное растровое изображение (с максимальным разрешением и глубиной цвета) потребует для сохранения большой огромный объем дискового пространства;

при вращении изображения четкими  вертикальными линиями появляются своего рода «ступеньки»;

при увеличении изображения видимыми становятся пикселы.

В векторной графике все изображения описываются в виде математических объектов - контуров. Каждый контур представляет собой независимый объект, который можно перемещать, масштабировать, изменять множество раз. Каждый контур имеет свои характеристики цвета, толщины контура, стиля линии и т.д.

Таблица 8. Достоинства и недостатки векторного формата графики

Достоинства

Недостатки

экономичность объемов дискового пространства, необходимого для хранения изображений;

описание цветовых характеристик почти не увеличивает размера файла;

легкая трансформируемость, практически без ущерба для качества изображения;

при увеличении размеров изображения не возникает искажений – пикселизации;

объем занимаемый изображением не зависит от его размеров

нефотореалистичные изображения;

не позволяет автоматизировать ввод графической информации.

Применение векторной графики обосновано в тех областях графики, где принципиальное значение имеет сохранение ясных и четких контуров, например, в шрифтовых композициях, в создании логотипов и др. Векторная графика использует все преимущества разрешающей способности любого выводного устройства, например, принтера. Изображение всегда будет выглядеть настолько качественно, насколько способно данное устройство.

Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, т.е. никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. С использованием фракталов могут строиться не только ирреальные изображения, но и вполне реалистичные (например, фракталы нередко используются при создании облаков, снега, береговых линий, деревьев и кустов и др.). Поэтому применять фрактальные изображения можно в самых разных сферах, начиная от создания обычных текстур и фоновых изображений и кончая фантастическими ландшафтами для компьютерных игр или книжных иллюстраций.

Графические файловые форматы

Форматов графических файлов существует великое множество, наиболее часто используемые из них можно классифицировать следующим образом.

Схема 4. Графические файловые форматы

растровые

 

фрактальные

FRP, FRS

смешанные

EPS, PDF

векторные

AI, CDR

многослойные

 

PSD

 

однослойные

полноцветные

 

с индексированной палитрой

без сжатия

со сжатием

 

с потерей качества

без потери качества

TIFF, GIF

 

 

JPEG

BMP

GIF

 

Наиболее часто пользователи используют формат

JPEG (Joint Photographic Experts Group) - это не формат, а алгоритм сжатия, основанный на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы в квадратах 99 пикселов. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Лишнюю с его точки зрения цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. Используя JPEG, можно получить файл в 10–500 раз меньше, чем ВМР. Формат аппаратно независим, полностью поддерживается на РС и Macintosh. В формате JPEG следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит ко всё новым потерям (отбрасыванию) данных.

TIFF (Tagged Image File Format) на сегодняшний день ближе всех к статусу стандартного. Формат TIFF позволяет сохранять растровые изображения с компрессией без потери качества. Помимо традиционных цветов CMY формат поддерживает цветоделение с большим числом красок, в частности систему Hexahrome компании Pantone. Наиболее предпочтителен для полиграфии.

GIF (Graphics Interchange Format, «Формат для обмена графической информацией») формат сочетает в себе редкий набор достоинств, неоценимых при той роли, которую он играет в WWW. Сам по себе формат содержит уже достаточно хорошо упакованные графические данные. Как и у программ-архиваторов, степень сжатия графической информации в GIF сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки; поскольку GIF сканирует изображение по строкам, то, к примеру, плавный переход цветов (градиент), направленный сверху вниз, сожмется куда лучше, чем тех же размеров градиент, ориентированный слева направо, а последний – лучше, чем градиент по диагонали.

GIF может иметь любое количество цветов от двух до 256-ти, и если в изображении используется, скажем, 64 цвета (26), то для хранения каждого пиксела будет использовано ровно шесть бит и ни битом больше. Полезной возможностью формата является использование прозрачности. Формат может быть использован для создания анимационных изображений.

Формат BMP (от слова bitmap) был создан компанией Microsoft и широко используется в операционных системах семейства Windows для растровой графики. Хотя в этом формате может применяться компрессия, большинство программ ее не используют. В файлах BMP информация о цвете каждого пиксела кодируется 1, 4, 8, 16 или 24 бит (бит/пиксел).

Формат PDF (Portable Document Format) предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат, в котором могут быть сохранены и иллюстрации (векторные и растровые), и текст, причем со множеством шрифтов и гипертекстовых ссылок. Для достижения продекларированной в названии переносимости размер PDF-файла должен быть малым. Для этого используется компрессия (для каждого вида объектов применяется свой способ). Например, растровые изображения записываются в формате JPEG.

Растровые графические редакторы

Одним из самых простых растровых графических редактору является редактор Paint из набора стандартных программ Windows. Этот простой редактор позволяет создавать и редактировать изображения, а также сохранять их в нескольких распространенных форматах, таких, как BMP, JPEG, GIF.

Популярный программный пакет растровой графики Adobe Photoshop применяется как инструмент для редактирования изображений. Используя его, можно также создавать как векторные фигуры (прямоугольники, эллипсы и другие формы, а также объекты произвольных очертаний), так и тексты на векторной основе.

Photoshop используется в качестве профессионального средства редактирования растровой графики и фотоизображений. Новые версии имеют ряд усовершенствований, которые должны еще более повысить популярность этой Программы: например, гибкую функцию многоуровневой отмены действий, возможность работать с текстовыми слоями, на любой стадии редактируя текст и изменяя его формат, более мощный механизм работы с цветом, автоматизированное выделение контуров, средства точного измерения расстояний и углов, трехмерные преобразования для двумерных объектов.

Готовый рисунок сохраняется в формате PSD, TIF, JPEG и многих других форматах.

Применение в профессиональной деятельности графических редакторов поможет всем, кто имеет дело с информационной графикой, т. е. с оформлением разнообразных графиков, диаграмм для статистических, маркетинговых, социологических и других отчетов.

Программа позволяет группировать и фиксировать слои, добиваясь большой согласованности различных частей изображения. Photoshop позволяет выполнять практически любое необходимое изменение изображения. Можно разбить рисунок на отдельные слои и обрабатывать каждый из них. Каждый слой может быть прозрачен относительно других или непрозрачен, но в любом случае все, что изображено в одном слое, можно редактировать и обрабатывать отдельно от других слоев. Галерея фильтров способствует преобразованию рисунка до неузнаваемости.

На рынке присутствует большое число бесплатных пакетов, которые могут выполнять многие задачи по работе с растровыми изображениями. Среди СПО можно отметить программу GIMP (http://www.gimp.org/) созданную для обработки растровой графики и частичной поддержки работы с векторной графики. Последняя версия вышла в феврале 2013 года. Недостатками данной программы, которые мешают применению программы в профессиональной сфере, является отсутствие поддержки планшетных цветов (и палитры Pantone). GIMP может использовать различные надстройки PhotoShop: файлы кистей (с ограничениями), может работать с файлами формата PSD.

Векторные графические редакторы

Чаще всего пользователи сталкиваются с графическим векторным редактором, встроенным в Word, который обеспечивает возможность создания сложных документов, содержащих не только алфавитно-цифровую информацию, но и рисунки, схемы, графики и т. д. Начиная с 2010 года в пакет офисных программ MS Office входит продукт Visio — редактор диаграмм и блок-схем.

Символом работы с векторными графическими файлами являются продукты фирмы Corel. CorelDraw (http://www.corel.com/) последняя версия X6 (16 версия) вышла в 2012 году и доступна только для OS Windows. В пакет входит также редактор растровой графики Corel PHOTO-PAINT и другие программы - например, для захвата изображений с экрана - Corel CAPTURE. Программа векторизации растровой графики Corel TRACE до 12 версии (2004г.) входила в пакет как самостоятельная программа. Программа позволяет импортировать файлы практически всех известных форматов. Данный продукт можно использовать для верстки небольших печатных продуктов.

Последние версии растровых редакторов (таких, как GIMP или Photoshop) предоставляют пользователю и векторные инструменты (например, изменяемые кривые), а векторные редакторы (CorelDRAW, Adobe Illustrator, Xara Xtreme, Adobe Fireworks, Inkscape, SK1 и другие) реализуют и растровые эффекты (например, заливку), хотя иногда и несколько ограниченные по сравнению с растровыми редакторами.

Inkscape (http://www.inkscape.org/) СПО удобна для создания как художественных, так и технических иллюстраций (вплоть до использования в качестве систем автоматизированного проектирования общего назначения). Программа получила широкое распространение благодаря открытому формату SVG, который позволяет создавать иллюстрации различного типа, в том числе анимированные.

Редакторы фрактальной графики

Программ для генерации фрактальных изображений на рынке не так много, и в популярных софтверных каталогах их найти проблематично. Существующие решения по большей части бесплатны и развиваются энтузиастами, хотя имеются и вполне солидные коммерческие варианты.

Коммерческие продукты Ultra Fractal (http://www.ultrafractal.com/), последняя рабочая версия 2009 года. Программа, позволяет создавать фрактальные изображения, а также выполнять их анимацию. Визуализированные изображения также могут быть экспортированы в один из растровых графических форматов (jpg, bmp, png и psd), а готовые фрактальные анимации - в AVI-формат. Другие аналогичные продукты Mystica (http://www.dawntec.com/mystica/), Fractal Extreme (http://www.cygnus-software.com/), Fractal World (http://yurkinsoft.chat.ru/rus/fractal_r.htm), Fractal Snowflake Generator (http://soft.mydiv.net/win/download-Fractal-Snowflake-Generator.html)

Бесплатные продукты: Fractal Explorer (http://www.eclectasy.com/Fractal-Explorer/index.html) - программа для создания изображений фракталов и трехмерных аттракторов с достаточно впечатляющими возможностями. Генерация фракталов возможна двумя способами - на основе базовых фрактальных изображений, построенных по входящим в поставку формулам, или с нуля. ChaosPro (http://www.chaospro.de/) - один из лучших бесплатных генераторов фрактальных изображений, с помощью которого нетрудно создать бесконечное множество удивительных по красоте фрактальных изображений. Программа имеет очень простой и удобный интерфейс и наряду с возможностью автоматического построения фракталов позволяет полностью управлять данным процессом за счет изменения большого количества настроек (число итераций, цветовая палитра, степень размытия, особенности проецирования, размер изображения и др.). Кроме того, создаваемые изображения могут быть многослойными (режимом смешивания слоев можно управлять) и к ним можно применить целую серию фильтров. Все накладываемые на строящиеся фракталы изменения тут же отражаются в окне просмотра. Созданные фракталы могут быть сохранены в собственном формате программы, либо в одном из основных фрактальных типов благодаря наличию встроенного компилятора. Существуют и другие программы Apophysis (http://www.apophysis.org/), Chaoscope (http://opodelkah.ru/load/5-1-0-26).

В работе с компьютерной графикой важно правильно работать с цветовыми моделями, которые определяют механизм представления цвета на экране или бумаге. Наиболее распространенными в полиграфии и работе с компьютерной графикой являются GrayScale, RGB, CMYK, HSB, HLS, Lab.

Цветовая модель GrayScaleиспользуется для черно-белой печати и сканирования изображений. Значение яркости серой шкалы нередко выражают в процентах, при этом 0 % представляет белый цвет, 100% — черный цвет. В компьютерном представлении широко распространённая серая шкала использует на каждый пиксел изображения один байт (8бит) информации. Такая шкала передаёт 256 оттенков (градаций) серого цвета, или яркости (значение 0 представляет черный цвет, а значение 255 - белый).

Цветовая модель RGB – в основе лежит воспроизведение любого цвета путем сложения трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каждый канал - R, G или B имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете. Например: (255, 64, 23) – цвет, содержащий сильный красный компонент, немного зелёного и совсем немного синего. Естественно, что этот режим наиболее подходит для передачи богатства красок окружающей природы. Но он требует и больших расходов, так как глубина цвета тут наибольшая – 3 канала по 8 бит на каждый, что дает в общей сложности 24 бита.

Поскольку в RGB модели происходит сложение цветов, то она называется аддитивной (additive). Именно на такой модели построено воспроизведение цвета современными мониторами.

Цветовая модель CMY использует также три основных цвета: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный, или малиновый) и Yellow (желтый). Эти цвета описывают отраженный от белой бумаги свет трех основных цветов RGB модели. Такая модель наиболее точно описывает цвета при выводе изображения на печать, т.е. в полиграфии.

Поскольку для воспроизведения черного цвета требуется нанесение трех красителей, а расходные материалы дороги, использование CMY-модели является не эффективным. Дополнительный фактор, не добавляющий привлекательности CMY-модели, – это появление нежелательных визуальных эффектов, возникающих за счет того, что при выводе точки три базовые цвета могут ложиться с небольшими отклонениями. Поэтому к базовым трем цветам CMY-модели добавляют черный (blacK) и получают новую цветовую модель CMYK.

Цветовые модели HSB и HLS. Рассмотренные модели ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой и для некоторых людей неудобны, опираются на интуитивные понятия тона насыщенности и яркости.

Полноцветные и индексированные изображения. Цвета пикселов можно определять, явно задавая несколько параметров цвета. Например, в RGB-модели конечный цвет определяется тремя слагаемыми для трех основных цветов. Такой подход позволяет формировать так называемые полноцветные изображения.

Второй подход заключается в том, что в первой части файла, хранящего изображение, хранится «палитра», в которой с помощью одной из цветовых моделей кодируются цвета, присутствующие на изображении. А вторая часть, которая непосредственно описывает пикселы изображения, фактически состоит из индексов в палитре. Изображения, формируемые таким способом, называются изображениями с индексированной палитрой.

Достоинством палитры является возможность существенно сократить размер файла с изображением. Недостатком является возможность потери цветов при ограниченном размере палитры. Обычно размер палитры составляет до 256-ти цветов.

Компьютерная графика является одним из основополагающих средств в работе специалиста по СсО. Именно грамотная работа с ними зачастую может определить успешность проекта.

Вопросы по теме:

1. Каковы возможности применения компьютерной графики в работе специалиста по СсО?

2. Какие типы графики существуют и применяются?

3. Сравните основные достоинства и недостатки векторной и растровой графики.

4. Какие графические редакторы могут применятся в работе специалиста по СсО.

5. Какова специфика различных цветовых моделей?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71015. Исследование модели шинной ЛВС со случайным доступом 26 KB
  Цель работы: Исследование особенностей построения и функционирования шинной ЛВС со случайным методом доступа и определение основных характеристик сети. Студент получает знания по структуре форматам кадров и протоколам физического и канального уровней для ЛВС данного типа и навыки...
71016. Формирование резерва кадров в организации «Управление образования администрации г. Бодайбо и района» 1.21 MB
  Изучить теоретико-методологические основы процесса формирования кадрового резерва; проанализировать состав персонала в «Управлении образования», а так же деятельность предприятия; выявить проблемы в процессе формирования резерва кадров в «Управлении образования»; предложить рекомендации и мероприятия по формированию кадрового резерва на предприятии.