Технологии обработки графической информации. Технология мультимедиа

Работа с компьютерной графикой — одно из самых популярных направлений при использовании компьютеров. Не только профессиональные художники, но и обычные пользователи увлекаются этим занятием. Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа, и работа над графикой занимает часто до 90 % рабочего времени программистских коллективов по выпуску программ массового применения.

Необходимость широкого использования программных графических средств возникла вследствие развития интернет-технологий и, в частности, благодаря службе WWW. При оформлении сайтов каждый из них снабжается компьютерной графикой. Потребность в разработке привлекательных веб-сайтов во много раз превышает возможности профессиональных художников и дизайнеров. Поэтому графические средства разрабатывают с таким расчетом, чтобы предоставлять возможность для работы тем, кто не имеет профессиональных навыков и способностей к рисованию.

Различают три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную.

Растровая графика. Применяется при разработке мультимедийных и полиграфических изданий. Для создания растровых иллюстраций чаще используют сканер, но в наше время для ввода растрового изображения в компьютер используют цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Поэтому большинство графических растровых редакторов ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.

При увеличении изображения качество картинки теряется. Качество зависит от разрешения. Разрешение зависит от количества точек (пикселей), приходящихся на длину. Единицей измерения разрешения изображения является количество точек на дюйм — dpi (dots per inch). Каждый пиксель имеет свой цвет. Чем больше количество пикселей на изображении, тем меньше их размеры, тем лучше выглядит результат. Разрешение зависит от разрешающих способностей видеоадаптера и дисплея.

Разрешение экрана настраивается ОС, стандартные разрешения — 640 х 480; 800 х 600; 1024 х 768; 1280 х 1024 точек и др. по горизонтали и вертикали соответственно.

Например, у экрана диагональю 15 дюймов разрешение изображения равно 28 х 21 см. 1 дюйм равен 25,4 мм, значит, разрешение — 800 х 600 пикселей.

При печати разрешение должно быть намного выше (72 dpi). Полиграфическая печать полноценного изображения требует разрешения 200—300 dpi. Например, стандартный фотоснимок 10 х 15 см должен содержать примерно 1000 х 1500 пикселей. А если изображение цветное (каждая точка использует 3 байта), то обычной цветной фотографией будет массив данных свыше 4 Мб. Большие объемы данных — это основная проблема. Увеличение размера точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой. Этот эффект называется пикселизацией.

Векторная графика. Предназначена для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Оформление работ основывается на применении шрифтов и простейших геометрических элементов. При увеличении изображения качество картинки не изменяется.

В векторной графике основным элементом изображения является линия (неважно, какая: кривая или прямая). В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от ее размеров, поскольку линия представлена как формула (в виде нескольких параметров). Линия — это элементарный объект (примитив) векторной графики. Все, что есть в векторной графике, состоит из линий. Простые объекты объединяют в более сложные. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой. Объекты векторной графики хранятся в памяти в виде параметров, но на экран они выводятся в виде точек. Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисление координат экранных точек изображения объекта, поэтому векторную графику называют вычисляемой графикой. Как и все объекты, линии имеют свойства: форму, характер линии, цвет и заполнение.

Иногда вместо понятия «линия» используют понятие «контур». Этот термин более полно отражает суть, поскольку контур может иметь любую форму — прямой, кривой, ломаной линии, фигуры.

Каждый контур имеет две или более опорные точки, также именуемые узлами. Элемент контура, заключенный между двумя смежными опорными точками, называют сегментом контура. Форму контура меняют перемещением опорных точек, добавлением новых и удалением имеющихся узлов. Контур может быть открытым или замкнутым — когда последняя опорная точка одновременно является и первой. Свойства замкнутых и открытых контуров различны.

Контур служит элементарным графическим объектом. Из контуров создают новые объекты или их группы. С несколькими контурами выполняют операции группировки, комбинирования, объединения. В результате образуются соответственно группа объектов, составной контур, новый контур. После операции группировки каждый контур сохраняет свои свойства и принадлежащие ему узлы. После операции комбинирования составной контур приобретает новые свойства, но узлы остаются прежними. После операции объединения образуются новые и меняются свойства исходных контуров — узлы.

Фрактальная графика. Использует программные средства, предназначенные для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании и оформлении, а в программировании. Это вычисляемая графика, но отличается от векторной тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся.

Изображения строятся по уравнениям или системам уравнений, поэтому кроме формулы хранить ничего не надо. Изменив коэффициент в уравнении, можно получить совсем другую картинку. Простейший фрактальный объект — фрактальный треугольник. Фигуры последующих поколений сохраняют свойства предыдущих. Процесс наследования может продолжаться бесконечно. С помощью этой графики модулируют образцы живой природы, часто используемые для автоматической генерации иллюстраций.

В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом де-факто и применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы ассоциированы с файлами растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на следующие специфические форматы.

Формат TIFF (Tagged Image File Format) — для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла — .tif). Относится к числу широко распространенных, отличается переносимостью между платформами (IBM PC и Apple Macintosh), обеспечен поддержкой со стороны большинства графических и дизайнерских программ, а также программ верстки. Предусматривает широкий диапазон цветового охвата — от монохромного черно-белого до 32-разрядной модели цветоделения CMYK. Начиная с версии 6.0, в формате TIFF хранят сведения о масках изображений. Для уменьшения размера файла применяется встроенный алгоритм сжатия LZW.

Формат PSD (Photoshop Document) — собственный формат программы Adobe Photoshop (расширение имени файла — .psd), один из наиболее мощных по возможностям хранения. Позволяет запоминать параметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества масок. Поддерживаются 48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели. Основной недостаток выражен в том, что отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации приводит к большому объему файлов.

Формат PCX появился как формат хранения растровых данных программы PaintBrush фирмы Z-Soft (расширение имени файла — .рсх). Отсутствие возможности хранить цветоделейные изображения, недостаточность цветовых моделей и другие ограничения привели к утрате популярности формата. К настоящему времени устарел.

Формат Photo CD разработан фирмой Kodak для хранения цифровых растровых изображений высокого качества (расширение имени файла — .pcd). Сам формат хранения данных в файле называется Image Рас. Файл имеет внутреннюю структуру, обеспечивающую хранение изображения с фиксированными величинами разрешений, и потому размеры любых файлов лишь незначительно отличаются друг от друга и находятся в диапазоне 4—5 Мб. Каждому разрешению присвоен свой уровень, отсчитываемый от так называемого базового (Base), составляющего 512 x 768 точек. Всего в файле пять уровней — от Base/16 (128 х 192 точек) до Base-16 (2048 х 3072 точек). При первичном сжатии исходного изображения применяется метод субдискретизации практически без потери качества. Затем вычисляются разности Base — Basex4 и Basex4 — Basexl6. Итоговый результат записывается в файл. Чтобы воспроизвести информацию с высоким разрешением, производится обратное преобразование. Для хранения информации о цвете использована цветовая модель YCC.

Формат Windows Bitmap служит для хранения растровых изображений в ОС Windows (расширение имени файла — .bmp).

Соответственно, поддерживается всеми приложениями, работающими в этой среде.

Формат JPEG (Joint Photographic Experts Group) предназначен для хранения растровых изображений (расширение имени файла — .jpg). Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применяемые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации, поэтому формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций.

Формат GIF (Graphics Interchange Format) стандартизирован в 1987 г. как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов (расширение имени файла — .gif). Получил популярность в Интернете благодаря высокой степени сжатия. Последняя версия формата GIF89a позволяет выполнять чересстрочную загрузку изображений и создавать рисунки с прозрачным фоном. Ограниченные возможности по количеству цветов обусловливают его применение исключительно в электронных публикациях.

Формат PNG (Portable Network Graphics) — формат хранения изображений, предназначенный для их публикации в Интернете (расширение имени файла — .png). Создавался как замена для форматов GIF и JPEG. Поддерживаются три типа изображений — цветные с глубиной 8 или 24 бит и черно-белое с градацией 256 оттенков серого. Сжатие информации происходит практически без потерь, предусмотрены 254 уровня альфа-канала, чересстрочная развертка. Массового распространения не получил.

Формат WMF (Windows MetaFile) предназначен для хранения векторных изображений ОС Windows (расширение имени файла — .wmf). Поддерживается всеми приложениями этой системы. Однако отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение.

Формат EPS (Encapsulated PostScript) служит для описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте в области допечатных процессов и полиграфии (расширение имени файла — .eps). Так как PostScript является универсальным, в файле могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты, контуры об- травки (маски), параметры калибровки оборудования, цветовые профили. Для отображения на экране векторного содержимого используется формат WMF, а растрового — TIFF. Но экранная копия лишь в общих чертах отображает реальное изображение (является недостатком EPS). Действительное изображение можно увидеть лишь на выходе выводного устройства, с помощью специальных программ просмотра или после преобразования файла в формат PDF в приложениях Acrobat Reader, Acrobat Exchange.

Формат PDF (Portable Document Format) позволяет описывать документы, разработанные фирмой Adobe (расширение имени файла — .pdf). Хотя этот формат в основном предназначен для хранения документа целиком, его впечатляющие возможности позволяют обеспечить эффективное представление изображений. Формат является аппаратно-независимым, поэтому вывод изображений допустим на любых устройствах — от экрана до фотоэкспонирующего устройства. Мощный алгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций.

Средством усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения служит цвет. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов. Цветовые рецепторы (колбочки) подразделяются на три группы, каждая воспринимает только единственный цвет — красный, зеленый или синий. Управление цветом позволяет более точно воспроизводить на экране цвета, которые будут получены при выводе изображения на печать. Все это облегчает работу художников и фотохудожников.

Основы компьютерной графики заключаются в следующем.

Графический режим построения изображений на экране осуществляет видеоадаптер, управляющий работой электронной трубки и видеопамятью, в которой запоминается текущее изображение. Адаптер обеспечивает регулярное отображение содержимого видеопамяти на экране дисплея.

Большинство языков программирования имеют свои графические библиотеки (например, Турбо Паскаль — Graph.tpu, Бейсик — графические встроенные команды). Графические редакторы, издательские системы и др. имеют удобный интерфейс для построения всевозможной графики, от простейших рисунков до мультипликационных (анимационных) роликов.

Построение компьютерных изображений требует геометрической грамотности и интуиции, конструкторских и изобразительных навыков. Прежде всего, надо знать следующие понятия и уметь применять свое знание на практике.

Композиция — строение, соотношение и взаимное расположение частей, сосредоточие идейно-творческого начала, позволяющего автору произведения искусства целенаправленно организовывать главное и второстепенное и добиваться максимальной выразительности содержания и формы в их образном единстве. Законы композиции касаются цельности, контрастов. Правила композиции: передача ритма; композиционный центр.

Мера — характеризует общие принципы строения, целостность предмета, лежит в основе ритма, гармонии, ансамбля в архитектуре.

Симметрия — одинаковость в расположении частей чего-нибудь по противоположным сторонам от точки, прямой или плоскости. Симметрия в композиции создается уравновешенностью ее частей по массам, тону, цвету и форме. Симметрия (геометрическая) — свойство геометрических фигур, при котором каждая пара соответственных точек лежит на одном перпендикуляре к данной плоскости по разные стороны и на одинаковом расстоянии от нее.

Пропорция — определенное соотношение частей между собой, соразмерность.

Ритм — равномерное чередование каких-нибудь элементов.

Гармония — соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органичное целое. В истории эстетики гармония — существенная характеристика прекрасного.

Перспектива — искусство изображать на плоскости трехмерное пространство в соответствии с тем кажущимся изменением величины, очертаний, четкости предметов, которое обусловлено степенью отдаленности их от точки наблюдения.

Выделяют два принципа моделирования графических объектов на экране дисплея: случайный и детерминированный. На их основе строятся технологии изобразительной графики, имеющей три направления: художественное, иллюстративное и демонстрационное.

Объекты художественной графики: различные узоры (самые простые — бордюры, орнаменты, паркеты — разбиение плоскости на непересекающиеся многоугольники), шрифты и другие изображения.

Объекты иллюстративной графики: схемы, эскизы, географические карты, чертежи и др. Создаются сочетанием случайного и упорядоченного в любой пропорции. Могут быть представлены в демонстрационной, динамической форме.

Объекты демонстрационной графики — динамические объекты. В технологии их использования выделяют три способа: рисо- вание/стирание, смену кадров (страниц), динамические образы.

Существуют следующие виды графики.

Деловая графика — отображение данных экономических расчетов (расчетных и статистических) в виде схем, диаграмм, гистограмм, графиков.

Гистограмма — группа столбцов, пропорциональных по высоте определенным числовым значениям.

Круговая гистограмма — сектора круга, углы которых пропорциональны элементам данных.

Круговая диаграмма — представление относительных величин объектов, которым на изображении сопоставляются размеры и расположение кругов в прямоугольной системе координат.

Временная диаграмма — последовательность операций или процессов определенной длительности (измерение динамических процессов).

Линейный график — отображение исходных величин в виде точек, соединенных отрезками прямых линий.

Структурная схема — представление сложных объектов в виде дерева или графа.

Инженерная графика — компьютеризация чертежных и конструкторских работ с помощью систем автоматизации проектных работ САПР (AutoCad, TFlex и др.), представляющих собой аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики. Используют в архитектуре, строительстве, картографии, медицине, геофизике, разработке моделей одежды, издательском деле, рекламе и др. Например, возможности системы AutoCad следующие:

  • • развитая система экранных меню;
  • • высокая точность графической информации;
  • • разбивка информации (расслоение);
  • • прочерчивание на экране координатной сетки;
  • • средство захвата графических объектов;
  • • мощное редактирование;
  • • отображение параметров графических характеристик;
  • • полуавтоматическая и автоматическая установка размеров;
  • • штриховка;
  • • работа с блоками.

Научная графика — средства формирования научной документации, имитационного, аналитического, геометрического и координатного моделирования.

Для компьютерного моделирования графического объекта следует выбрать подходящее программное инструментальное средство — графический редактор. Иногда полезно осуществить построение графического образа программированием с использованием графических библиотек.

Существует много графических редакторов — программ для работы с графикой.

Растровые редакторы могут быть двух видов: только для рисования (Paint, Painter) и для обработки растровых изображений (Adobe Photoshop, Photos Tyler, Picture Publisher, Corel Painter, Gimp, Jasc Paint Shop, Pro Premiu, Corel PrintHouse и др.).

Особое место занимает программный пакет Adobe Photoshop для обработки растровой графики. Он сегодня является стандартом в компьютерной графике. В нем улучшен контроль над цветом, параметрами изображения, оттенками и прочими деталями. Изначально программа была разработана для редактирования изображений для печати, но она все чаще используется при создании изображений для Всемирной паутины.

Главные элементы управления программы сосредоточены в строке меню, на панели инструментов и панели свойств. Особую группу составляют инструментальные палитры. Функции перечисленных средств рассматриваются в разделе 5.3.2.

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. Он моделирует различные инструменты (кисти, карандаш, перо, уголь, аэрограф и др.), позволяет имитировать материалы (акварель, масло, тушь), а также добиться эффекта натуральной среды. 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. Программа для создания изображений на платформе Macintosh — пакет для редактирования растровой живописи и изображений PixelPaintPro компании Pixel Resources.

Среди программ компьютерной живописи для графических станций Silicon Graphics (SGI) особое место занимает пакет StudioPaint 3D компании Alias Wave Front, 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 перенести рисунок в трехмерные пакеты для моделирования или анимации и построить по эскизу трехмерную модель.

К аппаратным средствам получения цифровых растровых оригиналов в основном относятся сканеры и цифровые фотокамеры. Другие устройства, например цифровые видеокамеры, адаптеры захвата телевизионных кадров, в компьютерной графике играют чаще вспомогательную роль. Для создания изображений «от руки» предназначены графические планшеты, на которых рисуют специальным электронным пером.

При создании художественных композиций отдельные фрагменты берут из библиотек (Clip Art).

Особый класс программ — «катализаторы». Они позволяют просматривать графические файлы (множество форматов), создавать на диске альбомы, перемещать и переименовывать файлы, документировать и иллюстрировать издания.

Corel Painter — мощнейший в мире редактор для рисования и создания иллюстраций, предлагает своим пользователям уникальные электронные кисти, а также средства имитации материалов и текстур, полностью повторяющих вид и свойства своих природных аналогов.

GIMP — редактор, в котором вместо привычного окна программы с обширными главным меню и панелью инструментов имеется миниатюрное сосредоточение кнопок. Стоит только открыть какое-либо изображение — документы открываются в независимых окнах, в которых присутствует главное меню. GIMP может использоваться как редактор для рисования и как инструмент для обработки фотографий. Он включает в себя более

200 расширений. Все инструменты рисования гибко настраиваются. Работа с текстом идет с помощью стандартного набора инструментов. Рисунки художественных эмблем делаются с помощью специальных сценариев. Создание анимации — работа с кадрами анимации как с отдельными слоями изображения. Можно преобразовывать изображения: вращать, масштабировать, наклонять и отражать. GIMP позволяет создавать новые инструменты на основе группы фильтров. При работе с экспозицией есть автоматический режим, позволяющий улучшать изображения одним щелчком.

Векторные редакторы. Adobe Illustrator, CorelDraw, Macromedia Freehand. Все эти редакторы работают с одними и теми же векторными графиками, имеют схожие инструменты.

Векторизаторы (трассировщики) — специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные (например, Adobe StreamLine, Corel Trace).

Adobe Illustrator — эта программа является общепризнанным мировым лидером среди средств работы с векторной графикой. Ее достоинство: вместе с Photoshop и настольной издательской системой PageMaker образует трио для создания изображений, достаточных для верстки полиграфических изданий. Эти приложения выполнены в едином стиле, используются похожий интерфейс и инструменты, позволяющие применять одинаковые приемы и навыки, экспортируют и импортируют созданные объекты между собой.

Macromedia Freehand с простым и дружественным интерфейсом служит удобным инструментом работы для начинающих. Программа отличается небольшим размером и хорошим быстродействием. Нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать на компьютерах среднего уровня. Инструментальные средства программы достаточны для разработки сложных документов. Пакет специально адаптирован для совместной работы с программой компьютерной верстки QyarkXPress.

CorelDraw исторически, особенно в России, считается основным пакетом создания и обработки векторной графики на платформе Windows. К его преимуществам относятся развитая система управления и обширные средства настройки параметров инструментов. По возможностям создания самых сложных художественных композиций CorelDraw превосходит конкурентов. Однако интерфейс программы считается непростым для освоения. CorelDraw — это развитая система управления, богатые средства настройки инструментов, наиболее сложные композиции, близкие к художественным произведениям.

Трассировщик Adobe StreamLine по праву занимает ведущее место в своем классе программ. Имеются более мощные пакеты, ориентированные на обработку чертежей, но они очень требовательны к аппаратным ресурсам, да и по стоимости много дороже. StreamLine позволяет проводить тонкую настройку параметров векторизации, что улучшает ее точность. Более всего векторизация удобна для преобразования чертежей, черно-белых рисунков и другой простой графики без полутонов. Полутоновые и цветные изображения обрабатываются хуже и для приближения к оригиналу требуют значительной доработки.

Контрольные вопросы

  • 1. Каковы виды компьютерной графики?
  • 2. Что такое растровая графика?
  • 3. Что такое векторная графика?
  • 4. Что такое фрактальная графика?
  • 5. Какие вы знаете форматы файлов для хранения изображений?
  • 6. Для чего используют цвет в компьютерной графике?
  • 7. Что такое композиция, мера, симметрия?
  • 8. Что такое пропорция, ритм, гармония, перспектива?
  • 9. Что такое деловая, инженерная и научная графика?
  • 10. Какие вы знаете растровые редакторы?
  • 11. Какие вы знаете векторные редакторы?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >