Графические системы. системы растровой и векторной графики

Существуют два способа представления графического изображения:

— растровый (изображение со сложными гаммами цветов оттенков и форм: фотографии, рисунки, отсканированные данные);

— векторный (чертежи, изображения с простыми формами, тенями, окраской).

Растр или растровый массив (bitop) представляет совокупность битов, расположенных на сетчатом поле-канве. Бит может быть включен (единичное состояние) или выключен (нулевое состояние).

Состояние битов можно использовать для представления черного или белого цветов, так, что, соединив на канве несколько битов, можно создать изображение из черных и белых точек. Растровое изображение напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена черным или белым цветом, в совокупности формируя рисунок. Основным элементом растрового изображения пиксель (pixel). Под этим термином часто понимают несколько различных понятий: отдельный элемент растрового изображения, отдельная точка на экране монитора, отдельная точка на изображении, напечатанном принтером.

Цвет каждого пикселя растрового изображения – черный, белый, серый или любой из спектра – запоминается с помощью комбинации битов. Размер изображения описывает физическую длину и ширину изображения, которая измеряется в пикселах.

Разрешение – это плотность размещения пикселов, которая измеряется в точках на дюйм (dpi). Эта величина представляет собой расстояние между соседними пикселами. Чем больше битов используется для этого, тем большее количество оттенков цветов для каждого пиксела можно получить. Число битов используемых компьютером для хранении информации о каждом пикселе, называется битовой глубиной или глубиной цвета.

Наиболее простой тип растрового изображения состоит из пикселов, имеющих два цвета – черный и белый. Для хранения такого типа пикселов требуется 1 бит в памяти компьютера, поэтому изображение, состоящее из пикселов такого вида, называется однобитовым изображением. Для отображения большого количества цветов используются больше битов информации.

Основной недостаток растровой графики состоит в том, что каждое изображение для своего хранения требует большое количество памяти. Другой недостаток – снижение качества изображения при масштабировании.

Векторное представление определяет описание изображения в виде линий и фигур, возможно, с закрашенными областями, заполняемыми сплошным или градиентным цветом. В векторной графики для описания объектов используются комбинации компьютерных команд и математических формул для описания объектов.

Векторную графику называется объектно-ориентированной или чертежной графикой. Достоинствами векторной графики являются:

— описание объекта является простым и занимает мало памяти;

— простота масштабирования изображения без ухудшения его качества;

— независимость объема памяти требуемой для хранения изображения от выбранной цветовой модели.

Недостатком – некоторая искусственность, заключающая в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов.

Векторная и растровая графика существуют не обособленно друг от друга. Векторные рисунки могут включать в себя и растровые изображения, могут быть преобразованы друг в друга. В этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы. Не всегда осуществимо преобразование растровой графики в векторную.

Разрешающая способность – это количество элементов в заданной области.

Имеются:

— разрешающая способность графического изображения;

— разрешающая способность принтера как устройства вывода;

— разрешающая способность мыши как устройства ввода.

Существуют два метода описания цвета: система аддитивных цветов и система субтрактивных цветов.

Система аддитивных цветов работает с изучаемым светом. Аддитивный цвет получается при объединении разноцветных лучей света. В системе используются три основных цвета: красный, зеленый и синий (Red, Green, Blue — RGB). При смешивании их в разных пропорциях получается соответствующий цвет. Отсутствие этих цветов представляет в системе черный цвет.

В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс: какой-либо цвет образуется вычитанием других цветов из общего луча света. Система работает с отраженным цветом, например, от листа бумаги. В системе субтрактивных цветов основными является голубой, пурпурный и желтый цвета (Cyan, Magenta, Yellow — CMY).

Когда эти цвета смешивают на бумаге в равной пропорции получается черный цвет.

Существуют и другие системы кодирования цветов, например, представление его в виде тона, насыщенности и яркости.

Тон представляет собой конкретный оттенок цвета, отличный от других: красный, голубой, зеленый и др. Насыщенностьхарактеризует относительную интенсивность цвета. Яркость(или освещенность) цвета показывает величину черного оттенка, добавляемого к цвету, что делает его более темным.

Рассмотренные системы работают со всем спектром цветов – миллионами возможных оттенков. Однако пользователю часто достаточно не более несколько сотен оттенков. В этом случае удобно использовать индексированные палитры – наборы цветов, содержащие фиксированное количество цветов, например 16 или 256, из которых можно выбрать необходимый цвет. Эти наборы занимают меньше памяти.

Масштабирование изображения заключается в изменении вертикального и горизонтального размеров изображения. Масштабирование может быть пропорциональным – в этом случае соотношение между высотой и шириной рисунка не изменяется, а меняется общий размер, и непропорциональным – в этом случае оба измерения измеряются по-разному.

Масштабирование векторных рисунков выполняется просто и без потери качества. Так как объекты векторной графики создаются по их описаниям, то для изменения масштаба векторного объекта достаточно изменить его описание. Например, чтобы увеличить в 2 раза векторный объект, следует удвоить значение, описывающее его размер.

Масштабирование растровых рисунков является намного более сложным процессом, чем для векторной графики, и часто сопровождается потерей качества. При изменении размеров растрового изображения выполняется одно из следующих действий:

— одновременное изменение размеров всех пикселов (в большую или меньшую сторону);

— добавление или убавление пикселов из рисунка для отражения производимых в нем изменений, называемое выборкой пикселов в изображении.

Простейший способ изменения масштаба растрового рисунка состоит в изменении размера всех его пикселов.

При масштабировании изображения количество входящих в него пикселов не меняется, а изменяется количество создаваемых устройством вывода элементов, идущих на построение отдельного пиксела изображения.

Выборка растрового рисунка может быть сделана двумя различными способами:

по первому – дублируется или удаляется необходимое количество пикселов. При этом в результате масштабирования ухудшается качество изображения.
по второму – с помощью определенных вычислений можно создать пикселы другого цвета, определяемого цветами первоначального пиксела и его окружения. Этот метод называется интерполяцией и является более сложным, чем простое дублирование. При интерполяции кроме дублируемых пикселов отбираются и соседние с ними, с помощью которых вновь создаваемые пикселы получают от существующих усредненный цвет или оттенок серого.

Как любая информация, графика может быть сжата. Это выгодно с точки зрения экономии памяти компьютера, т.к. например, высококачественные изображения, как уже говорилось, имеют размеры до нескольких десятков Мбайтов. Для файлов графических изображений разработаны множество схем и алгоритмов сжатия, основными из которых является следующие:

— групповое сжатие,

— кодирование методом Хаффмана,

— сжатие по схеме LZW,

— арифметическое сжатие,

— сжатие с потерями,

— преобразование цветов RGB в цвете YUV.

В основе большинстве схем сжатия лежит использование одного из следующих свойств графических данных: избыточность, предсказуемость, необязательность. В частности, групповое сжатие (RLE) основано на использование первого свойства.

Кодирование по методу Хаффмана и арифметическое сжатие, основанные на статистической модели, используют предсказуемость, предлагая более короткие коды для более часто встречающихся пикселов. Алгоритмы сжатия с потерями основаны на избыточности данных.

Графические редакторы

Для работы с графическими изображениями существует большое количество различных программ и пакетов, которые называются графическими редакторами.

Одной из таких программ является входящий в Windows графический редактор Paint. Используя, его можно считывать и сохранять изображение в широко известных растровых форматах. Он позволяет также рисовать различные примитивы, закрашивать области цветами и т.п.

Другим примером простого графического редактора служит программа Photo Plus. Ее интерфейс подобен редактору Paint. Однако программа обладает существенно большими возможностями. В ней кроме известных возможностей рисования графических примитивов, реализованы функции копирования изображения, конвертации с различным количеством битов глубины цветов, изменения яркости, контрастности и корректировки цветовой гаммы.

Программные средства создания растровых изображений

Среди программ, предназначенных для создания компьютерной двумерной живописи, самыми популярными считаются Painter компании Fractal Design, FreeHand компании Macromedia, и Fauve Matisse. Пакет Painter обладает достаточно широким спектром средств рисования и работы с цветом. В частности, он моделирует различные инструменты (кисти, карандаш, перо, уголь, аэрограф и др.), позволяет имитировать материалы (акварель, масло, тушь), а также добиться эффекта натуральной среды. В свою очередь, последние версии программы FreeHand обладают богатыми средствами редактирования изображений и текста, содержат библиотеку спецэффектов и набор инструментов для работы с цветом, в том числе средства многоцветной градиентной заливки.

Среди программ для создания изображений на платформе Macintosh стоит отметить пакет для редактирования растровой живописи и изображений PixelPaint Pro компании Pixel Resources.

Среди программ компьютерной живописи для графических станций Silicon Graphics(SGI) особое место занимает пакет StudioPaint 3D компании Alias Wavefront, который позволяет рисовать различными инструментами (кистями) в режиме реального времени прямо на трехмерных моделях. Пакет работает с неограниченным количеством слоев изображения и предоставляет 30 уровней отмены предыдущего действия (undo), включает операции цветокоррекции и сплайновые кисти, мазок которых можно редактировать по точкам как сплайновую кривую. StudioPaint 3D поддерживает планшет с чувствительным пером, что дает возможность художнику сделать традиционный эскиз от руки, а затем позволяет перенести рисунок в трехмерные пакеты для моделирования или анимации и построить по эскизу трехмерную модель.

Adobe Photoshop

В обширном классе программ для обработки растровой графики особое место занимает пакет Photoshop компании Adobe. По сути дела, сегодня он является стандартом в компьютерной графике, и все другие программы неизменно сравнивают именно с ним.

Главные элементы управления программы Adobe Photoshop сосредоточены в строке меню и панели инструментов. Особую группу составляют диалоговые окна — инструментальные палитры:

Палитра Кисти управляет настройкой параметров инструментов редактирования. В режим редактирования кисти входят после двойного щелчка на ее изображении в палитре. Щелчок при нажатой клавише CTRL уничтожает кисть. Двойным щелчком на свободном поле палитры открывают диалоговое окно формирования новой кисти, которая автоматически добавляется в палитру.

Палитра Параметры служит для редактирования свойств текущего инструмента. Открыть ее можно не только из строки меню, но и двойным щелчком на значке инструмента в панели инструментов. Состав элементов управления палитры зависит от выбранного инструмента.

Палитра Инфо обеспечивает информационную поддержку средств отображения. На ней представлены: текущие координаты указателя мыши, размер текущей выделенной области, цветовые параметры элемента изображения и другие данные.

Палитра Навигатор позволяет просмотреть различные фрагменты изображения и изменить масштаб просмотра. В окне палитры помещена миниатюра изображения с выделенной областью просмотра.

Палитра Синтез отображает цветовые значения текущих цветов переднего плана и фона. Ползунки на цветовой линейке соответствующей цветовой системы позволяют редактировать эти параметры.

Палитра Каталог содержит набор доступных цветов. Такой набор можно за грузить и отредактировать, добавляя и удаляя цвета. Цветовой тон переднего плана и фона выбирают из состава набора. В стандартном комплекте поставки программы предусмотрено несколько цветовых наборов, в основном компании Pantone.

Палитра Слои служит для управления отображением всех слоев изображения, начиная с самого верхнего. Возможно определение параметров слоев, изменение их порядка, операции со слоями с применением разных методов.

Палитру Каналы используют для выделения, создания, дублирования и удаления каналов, определения их параметров, изменения порядка, преобразования каналов в самостоятельные объекты и формирования совмещенных изображений из нескольких каналов.

Палитра Контуры содержит список всех созданных контуров. При преобразовании контура в выделенную область его используют для формирования справочного контура.

Палитра Операции позволяет создавать макрокоманды — заданную последовательность операций с изображением. Макрокоманды можно записывать, выполнять, редактировать, удалять, сохранять в виде файлов.

Особую группу программных средств обработки изображений представляют Фильтры. Это подключаемые к программе модули, часто третьих фирм, позволяющие обрабатывать изображение по заданному алгоритму. Иногда такие алгоритмы бывают очень сложными, а окно фильтра может иметь множество настраиваемых параметров. Из групп фильтров популярны продукты серий Kai’s Power Tools, Alien Skin, Andromeda и другие.

Программы векторной графики

В настоящее время создано множество пакетов иллюстративной графики, которые содержат простые в применении, развитые и мощные инструментальные средства векторной графики, предназначенной как для подготовки материалов к печати, так и для создания страниц в Интернете.

Качество и полезность средств векторной графики определяются главным образом возможностями масштабирования.

Пакеты векторной или иллюстративной графики всегда основывались на объектно-ориентированном подходе, позволяющем рисовать контуры объектов, а затем закрашивать их или заполнять узорами. Вы можете очень точно воспроизводить эти контуры, задавая любой размер, поскольку они формируются при помощи математической модели из точек и кривых, а не как растровые изображения — в виде сетки, заполненной прямоугольными пикселями.

К числу новых возможностей, пакетов векторной графики относится многоцветная градиентная закраска. Такие примитивы, как многоугольники, звезды и спирали, стали обычными атрибутами подобных пакетов. Связанные цвета позволяют заменить красный цвет розы желтым, изменив только базовый цвет; все связанные оттенки изменятся автоматически. Многослойные интерактивные цветные диапозитивы обеспечивают ранее недостижимую глубину, и вы можете преобразовывать векторные изображения в растровые в рамках векторного графического файла. Если вчерашние пакеты векторной графики позволяли только помещать растровое изображение в ваш файл, то с помощью современных программ можно встраивать представленные в растровой форме изображения, изменять их размеры и даже накладывать специальные эффекты и маски. Это облегчает процесс получения окончательного изображения средствами многослойной графики — объединением векторных и растровых файлов, необходимым для создания логотипов, печатных рекламных объявлений и картинок для Web.

Принципы, лежащие в основе последних пакетов, полностью меняют представления о векторной графике. Так CorelXara 1.5 реализует качественно новый подход к визуализации, располагает потрясающими средствами создания выходных файлов; GIF и JPEG — феноменально быстрым внешним модулем браузера для работы с векторной графикой. Пакет Expression 1.0 фирмы Fractal Design позволяет строить контуры из других сложных векторных графических изображений, предоставляя в распоряжение пользователя бесконечное разнообразие визуальных возможностей.

В большинстве случаев для создания простых иллюстраций начинающим достаточно уметь работать с теми программными средствами, которые, возможно,у них уже имеются. Комплекты программ Microsoft, Corel и Lotus содержат инструменты рисования в своих модулях текстового процессора и презентационной графики, а также библиотеки клипартов. Кроме того, с помощью функций AutoShape можно создавать большое число стандартных форм и даже символов для построения диаграмм (которые могут отбрасывать тени или даже получаться с помощью экструзии и благодаря этому приобретать объемность), а галерея WordArt предоставляет интересные и цветные стили текста, которыми можно пользоваться для заголовков или ярлыков.

Для задач технического характера необходимо обратить внимание на такие программы построения диаграмм, как Flowcharter 7 фирмы Micrografx или Visio Professional 4.5 фирмы Visio Corp. Если же начать работать в области САПР, то существует несколько вполне доступных по ценам и возможностям пакетов, в том числе AutoCAD LT фирмы Autodesk или Design CAD фирмы ViaGrafx.

Чтобы подготовить чертежи для небольших строительных проектов, например реконструкции этапа дома или модернизации кухни, можно воспользоваться пакетами Planix и Draftix фирмы SoftDesk, Visual Home фирмы Books That Work или 3D.

Фирмой Corel разработан графический пакет, в котором интегрированы несколько программ для обработки различных изображений. В состав пакета входят графический редактор CorelDraw, позволяющий работать с векторными и растровыми изображениями Corel Photo-Paint, ориентированный на обработку растровых изображений, в т.ч. высококачественных фотографий.

Пакет располагает мощным инструментарием среди всех программ обзора, а при этом по сравнению с предыдущей версией интерфейс стал проще, а инструментальные средства рисования и редактирования узлов — более гибкими. Однако что касается новых функций, в частности подготовки публикаций для Web, то здесь CorelDraw уступает CorelXara. Работа CorelDraw с цветами CMYK оставляет желать лучшего. Цвета файлов GIF и JPEG заметно отличались от цветов, выводимых для пробного отпечатка Matchprint, в то время как пакет FreeHand воспроизводил одинаковые цвета на экране, в файлах Web и на принтерах. Художественные возможности оформления текста в CorelDraw безупречны, а принимаемые по умолчанию параметры для межбуквенных интервалов при размещении текста вдоль кривой не требуют настройки, исключающей наложение букв. Инструмент лупа позволяет получить множество специальных эффектов, в том числе возможность увеличения только фрагмента изображения и автоматической настройки цветов текста в зависимости от цвета фона.

Можно вырезать изображения, накладывать цветные фильтры и придавать растровым изображениям вид изогнутой страницы, используя двух- и трехмерные эффекты и внешние модули PhotoShop. Когда вам нужно было редактировать пикселы, CorelDraw автоматически переключает вас на Corel Photo-Paint, где вы можете редактировать файл и сохранять его непосредственно в CorelDraw. Однако, помимо базовых возможностей масштабирования и средств динамического назначения размеров, CorelDraw не содержит специальных средств подготовки технических иллюстраций, подобных Smart Mouse в Canvas или копирования массивов в Designer.

Macromedia FreeHand

Пакет Macromedia FreeHand 7 поражает безупречным качеством вывода на экран и четырехцветной печати CMYK и наличием нескольких форматов для Web. Поскольку FreeHand всегда отображает цвета так же, как они будут выглядеть при печати, эта программа, не допускает создание или назначение цветов, которые при печати сильно отличались бы от соответствующих цветов на экране. В списке цветов FreeHand указываются только те цвета, которые были использованы или созданы вами. Программа позволяет отбирать цвета \из нескольких библиотек, в том числе Pantone и Hexachrome для печати, и из палитры Web, оптимизированной как для Мае, так и PC.

Инструментарий FreeHand для рисования и работы с текстом отвечает необходимым требованиям, но несколько ограничен. В интерфейсе FreeHand отдано предпочтение редактированию узлов, а не редактированию объекта в целом. Каждая из операций масштабирования, поворота, зеркального отображения и деформации, выполняемые в CorelDraw манипуляциями в рабочем окне объекта, требует отдельного инструмента из набора инструментария FreeHand. При выборе объекта его точки (узлы) всегда доступны для непосредственного редактирования, но это означает, что вы видите узлы и траектории объекта, а не его законченный вид.

CorelXara 1.5

CorelXara 1.5 — одна из программ нового поколения. Она служит, в первую очередь, для создания графического изображения на странице за один раз и формирования блока текста за один раз. Хотя Corel рекламирует CorelXara 1.5 как дополнение к CorelDraw 7 для создания графики Web, по существу благодаря высокой производительности, средствам для работы с Web и специализированному инструментарию CorelXara превосходит CorelDraw во многих отношениях. Благодаря возможностям масштабирования векторной графики и текстурам растровых изображений двумерные объекты начинают все более напоминать трехмерные. Интерфейс CorelXara элегантен и прост. Пиктограммы в верхнем ряду обеспечивают доступ к полноцветным визуальным наборам цветов, заполнений, штриховок, растровых изображений, шрифтов и графических вставок (клипартов).

CorelXara облегчает управление цветом путем создания семейств связанных оттенков. Измените основной цвет с синего на зеленый, и ваш объект изменит всю гамму оттенков. Вместе с тем, CorelXara не содержит специальных инструментальных средств для технических иллюстраций и, кроме того, вы должны самостоятельно вводить текст, поскольку в CorelXara не предусмотрены фильтры импорта для программ обработки текста. Тем не менее, эта программа позволяет размещать несколько строк текста вдоль одной криволинейной направляющей, а ее коллекция шрифтов не только содержит их названия, но и показывает гарнитуры.

Категория художественная иллюстрация характеризует многообразие и универсальность инструментальных средств рисования. Кроме того, программные продукты должны быть способны точно импортировать и экспортировать разнообразные типы файлов.

Категория техническая иллюстрация отражает, насколько точно инструментарий программы помогает вам создавать и размещать объекты с помощью цифрового ввода, формирования матриц и ограничений.

Категория цветная печать отражает программные возможности согласования цветов и качество получаемых отпечатков. Программы иллюстративной графики должны определять участки смыкания пар цветов, выполнять преобразования специальных цветов (spot color) в составные цвета (process color) и точное цветоделение.

Категория подготовка страниц Web характеризует, насколько хорошо программа формирует содержимое для страниц Web.

Программные средства обработки трехмерной графики

На персональных компьютерах основную долю рынка программных средств обработки трехмерной графики занимают три пакета. Эффективней всего они работают на самых мощных машинах под управлением операционной системы Windows NT, Windows XP .

Программа создания и обработки трехмерной графики 3D Studio Max фирмы Kinetix изначально создавалась для платформы Windows. Этот пакет считается полупрофессиональным. Однако его средств вполне хватает для разработки качественных трехмерных изображений объектов неживой природы. Отличительными особенностями пакета являются поддержка большого числа аппаратных ускорителей трехмерной графики, мощные световые эффекты, большое число дополнений, созданных сторонними фирмами. Сравнительная нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать даже на компьютерах среднего уровня. Вместе с тем по средствам моделирования и анимации пакет 3D Studio Max уступает более развитым программным средствам.

Программа Softimage 3D компании Microsoft изначально создавалась для рабочих станций SGI и лишь сравнительно недавно была конвертирована под операционную систему Windows NT. Программу отличают богатые возможности моделирования, наличие большого числа регулируемых физических и кинематографических параметров. Для рендеринга применяется качественный и достаточно быстрый модуль Mental Ray. Существует множество дополнений, выпущенных третьими фирмами, значительно расширяющих функции пакета. Эта программа считается стандартом де-факто в мире специализированных графических станций SGI, а на платформе IBM PC выглядит несколько тяжеловато и требует мощных аппаратных ресурсов.

Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является программа Maya, разработанная консорциумом известных компаний (Alias, Wavefront, TDI). Пакет существует в вариантах для разных операционных систем, в том числе и Windows NT. Инструментарий Maya сведен в четыре группы: Animation (анимация), Modeling (моделирование), Dynamic (физическое моделирование), Rendering (визуализация). Удобный настраиваемый интерфейс выполнен в соответствии с современными требованиями. На сегодняшний день Maya является наиболее передовым пакетом в классе средств создания и обработки трехмерной графики для персональных компьютеров.

[kgl]

[gl] Тема 11. Основы защиты информации [:]

Статьи к прочтению:

Мой графический планшет | XP-Pen Artist 22HD ❤

Похожие статьи: