Сучасна комп’ютерна графіка

З історії:

Перші обчислювальні машини не мали окремих засобів для роботи з графікою, проте вже використовувалися для отримання і обробки зображень. Програмуючи пам'ять перших електронних машин, побудовану на основі матриці ламп, можна було отримувати візерунки.

У 1961 році програміст С. Рассел очолив проект по створенню першої комп'ютерної гри з графікою. Створення гри «Spacewar» ( «Космічні війни») зайняло близько 200 людино-годин. Гра була створена на машині PDP-1.

В середині 1960-х рр. з'явилися розробки в промислових додатках комп'ютерної графіки. Так, під керівництвом Т. Мофетта і Н. Тейлора фірма Itek розробила цифрову електронну креслярську машину. У 1964 році General Motors представила систему автоматизованого проектування DAC-1, розроблену спільно з IBM.

У 1968 році групою під керівництвом Н. Н. Константинова була створена комп'ютерна математична модель руху кішки. Машина БЕСМ-4, виконуючи написану програму рішення диференціальних рівнянь, малювала мультфільм «Кішечка», який для свого часу був проривом. Для візуалізації використовувався алфавітно-цифровий принтер.

Істотний прогрес комп'ютерна графіка зазнала з появою можливості запам'ятовувати зображення і виводити їх на комп'ютерному дисплеї, електронно-променевої трубки.

Завдання комп'ютерної графіки:

Комп'ютерна графіка має справу з зображеннями. Її основне призначення візуалізація побудова зображення графічного об'єкта по його опису (прикладної моделі). Іншими видами обробки графічної інформації є перетворення зображень і розпізнавання зображень.

Залежно від області застосування до візуалізації пред'являються різні вимоги: швидкість побудови, якість зображення, реалістичність, естетичні характеристики, достовірність і інші, які повинні враховуватися графічноїпрограмою.

Зображення будується на основі прикладної моделі, яка є внутрішнім (програмним) поданням графічного об'єкта, що задається в просторі тієї чи іншої розмірності. Для його кращого розгляду виробляються видові перетворення об'єкта, що дозволяють дивитися на нього з необхідною точки зору.

Зазвичай об'єкт задається в тривимірному просторі, а його зображення двумерно. Для переходу від тривимірного простору до двовимірного зображення використовуються проекції. Екранні зображення, як правило, є проекціями об'єктів.

Комп'ютерна графіка існує вже тривалий час, за яке було створено велику кількість різноманітних графічних програм.

Основні поняття комп'ютерної графіки:

Збільшений ділянка растрового зображення: зліва - окремі пікселі, отримані розмноженням вихідних при масштабуванні, праворуч - те саме, але з бикубической інтерполяцією.

1. Пікселі, дозвіл, розмір зображення.

Зображення на екрані складається з маленьких осередків. Кожна з них може мати певний колір. Така осередок отримала назву пікселя (pixel). Сукупність пікселів становить матрицю і утворює зображення на екрані. Залежно від моделі монітора параметри матриці в пікселях можуть змінюватися: 640х480, 800х600, 1024х768, 1600х1200.

Величина матриці не впливає на фізичний розмір екрану і не залежить від нього. Чим більше матриця на одному і тому ж екрані, тим розмір чарунки менше, а, отже, якість зображення краще.

Слід чітко розрізняти:

• дозвіл друкувального пристрою

Всі ці поняття відносяться до різних об'єктів. Один з одним ці види дозволу ніяк не пов'язані, поки не буде потрібно дізнатися, який фізичний розмір буде мати картинка на екрані монітора, відбиток на папері або файл на жорсткому диску.

Дозвіл принтера - це властивість принтера, що виражає кількість окремих крапок, які можуть бути надруковані на ділянці одиничної довжини. Воно вимірюється в одиницях dpi (точки на дюйм) і визначає розмір зображення при заданій якості або, навпаки, якість зображення при заданому розмірі.

Фізичний розмір зображення може вимірюватися як в пікселях, так і в одиницях довжини (міліметрах, сантиметрах, дюймах). Він задається при створенні зображення і зберігається разом з файлом.

Якщо зображення готують для демонстрації на екрані, то його ширину і висоту задають у пікселах, щоб знати, яку частину екрана воно займає.

Якщо зображення готують для друку, то його розмір задають в одиницях довжини, щоб знати, яку частину аркуша паперу воно займе.

2. Типи зображень.

Зображення характеризується максимальним числом квітів, які можуть бути в ньому використані, тобто мати різну глибину кольору. Існують типи зображень з різною глибиною кольору - чорно-білі штрихові, в відтінках сірого, з індексованими кольорами, повнокольорові.

Деякі типи зображень мають однакову глибину кольору, але розрізняються по колірній моделі. Тип зображення визначається при створенні документа.

Чорно-білі штрихові зображення

На кожен піксель такого зображення відводиться один біт інформації. Одним бітом кодуються два стану, в даному випадку це два кольори: чорний і білий. Цей тип зображення називається Bitmap (Бітовий). Глибина кольору такого зображення - один біт.

Піксель півтонування (grayscale) кодується 8 бітами (8 біт складають 1 байт). Глибина кольору зображення даного типу становить, таким чином, вісім біт, а кожен його піксель може приймати 256 різних значень. Значення, що приймаються пікселями, називаються сірою шкалою. Сіра шкала має 256 градацій сірого кольору, кожна з яких характеризується значенням яскравості в діапазоні від 0 (чорний) до 255 (білий). Цього цілком достатньо, щоб правильно відобразити чорно-біле півтонування, наприклад, чорно-білу фотографію.

В Photoshop 4.0 з'явилася підтримка зображень з 16-бітними каналами, що дозволяють збільшити кількість переданих квітів або відтінків сірого. Так, в режимі з 16-бітними каналами півтонування може містити не 256, а 65 536 відтінків сірого. З іншого боку, розмір файлу з 16-бітними каналами в два рази більше, ніж з традиційними, 8-бітними. Розмір файлу та місце в оперативній пам'яті - дорога плата за глибину кольору.

Будь-яке зображення можна перетворити в півтонове. Якщо вихідний матеріал, наприклад, кольорова фотографія, то вона стане чорно-білою.

Перші кольорові монітори працювали з обмеженою колірною гамою: спочатку 16, потім 256 квітів. Вони кодувалися 4 бітами (16 кольорів) або 8 бітами (256 кольорів). Такі кольори називаються індексованими (indexed color). Зрозуміло, 16 (і навіть 256) квітами неможливо переконливо передати колірну гамму фотозображень. Застосування індексованих кольорів знизилося з поширенням високоякісних моніторів, проте з ними працюють до цих пір, наприклад, Web-майстра. Крім того, обмеження числа квітів можна використовувати для отримання цікавих ефектів.

Індексовані кольору кодуються зазвичай чотирма або вісьмома бітами у вигляді так званих кольорових таблиць. Глибина індексованого кольору може становити 2-8 біт. Наприклад, графічне середовище Windows 95 підтримує колірну таблицю з восьми біт на піксель, вона називається системної палітрою (system palette). У цій таблиці кольору вже відомі наперед, як крейда в коробці пастелі, і вам залишається тільки використовувати те, що є в коробці, тобто в таблиці.

До повнокольоровим (true color) відносяться типи зображень з глибиною кольору не менше 24 біт, тобто кожен піксель такого зображення кодується як мінімум 24 бітами, що дає можливість відобразити не менше 16,7 мільйона відтінків. Тому іноді повнокольорові типи зображення називають True Color (справжній колір). Бітовий обсяг кожного пікселя розподіляється по колірних складових: кожен колір кодується 8 бітами. Колірні складові в програмі організуються у вигляді каналів, поєднане відображення каналів і визначає колір зображення.

Повнокольорові зображення є багатоканальними. До зображень цього класу відносяться RGB, CMYK, L * a * b і інші. Вони відрізняються по глибині кольору і за способом математичного опису кольорів, тобто по колірній моделі.

Формат (format) певною мірою поняття бюрократичне, кожному доводилося заповнювати всілякі анкети. Анкета - це і є формат для організації даних, її нудно заповнювати, зате потім легко обробляти. Без формату інформації не існує.

Її не можна зберегти і передати. Відповідність форматів - це як розмова на одній мові. Форматів файлів дуже багато. Для кожного виду комп'ютерної діяльності існують стандартні формати, тобто найзручніші, або часто застосовувані. Для текстів такими форматами є DOC, ТХТ, для поліграфічної продукції - TIFF, Р1СТ, для графіки в Інтернет - GIF, JPEC і т. Д.

Для того щоб програми розуміли файли різних форматів, існують конвертори. Вони переводять інформацію з власного формату файлу в формат, зрозумілий даною програмою. Чим більше конверторів є в програмі, тим більше різних форматів файлів вона може розпізнати.

4. Колір і його моделі

Світ, що оточує людину, - це океан кольору. Колір має не тільки інформаційну, але і емоційну складову. Для багатьох галузей виробництва, в тому числі для поліграфії і комп'ютерних технологій, необхідні об'єктивні способи опису і обробки кольору.

Кольори в природі рідко є простими. Більшість колірних відтінків утворюється змішуванням основних кольорів. Якщо змішати жовту і блакитну фарби, вийде зелена. З двох кольорів отриманий третій. Шляхом змішування з невеликого числа базових або основних кольорів можна отримати інші кольори, звані складовими. Таким чином, колір можна математично описати як співвідношення базових компонентів (створити модель кольору). Спосіб поділу колірного відтінку на складові компоненти називається колірною моделлю.

Об'єкт, що має колір, може випромінювати світло або поглинати його. У першому і в другому випадку колір об'єкта описується по-різному, тобто для його опису застосовуються різні моделі кольору. Параметри кольору можуть бути виражені за допомогою багатьох колірних моделей. Найбільш часто в графічних пакетах використовуються три колірні моделі: RGB, CMYK, HSB.

тривимірна графіка

Тривимірна графіка (3D, 3 Dimensions, рос. 3 вимірювання) - розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів і інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів. Найбільше застосовується для створення зображень на площині екрану або аркуша друкованої продукції в архітектурній візуалізації, кінематографі, телебаченні, комп'ютерних іграх, друкованої продукції, а також в науці і промисловості.

Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі сцени на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм. При цьому модель може як відповідати об'єктам з реального світу (автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною (проекція чотиривимірного фрактала).

Для отримання тривимірного зображення на площині потрібні наступні кроки: моделювання - створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній. рендеринг (візуалізація) - побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделлю. висновок отриманого зображення на пристрій виведення - дисплей або принтер.

Однак, у зв'язку зі спробами створення 3D-дисплеїв і 3D-принтерів, тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину.

Висновок.

Необхідність широкого використання графічних програмних засобів стала особливо відчутною в зв'язку з розвитком Інтернет і, в першу чергу, завдяки службі World Wide Web, що зв'язала в єдину «павутину» мільйони окремих «домашніх сторінок». Навіть побіжного подорожі по цих сторінках досить, щоб зрозуміти, що сторінка, оформлена без комп'ютерної графіки, не має шансів виділитися на тлі найширшого кола конкурентів і привернути до себе масову увагу. Переважна більшість веб-сторінок поряд з текстовою інформацією містять графічні зображення. Левова частка картинок, що завантажуються в вікні браузера, створена в форматах GIF або JPEG.

Двовимірна графіка (2D)

Двовимірна (2D - від англ. Two dimensions - "два виміри") комп'ютерна графіка класифікується за типом представлення графічної інформації, і наступними з нього алгоритмами обробки зображень. Зазвичай комп'ютерну графіку розділяють на векторну і растрову, хоча обособляют ще й фрактальний тип представлення зображень.

Векторна графіка

Векторна графіка представляє зображення як набір геометричних примітивів. Зазвичай в якості них вибираються точки, прямі, кола, прямокутники, а також як загальний випадок, сплайни деякого порядку. Об'єктам присвоюються деякі атрибути, наприклад, товщина ліній, колір заповнення. Малюнок зберігається як набір координат, векторів і інших чисел, що характеризують набір примітивів. При відтворенні об'єктів, що перекриваються має значення їх порядок.

Без особливих втрат растрові зображення можна тільки лише зменшувати, хоча деякі деталі зображення тоді зникнуть назавжди, що інакше в векторному поданні. Збільшення ж растрових зображень обертається «красивим» видом на збільшені квадрати того чи іншого кольору, які раніше були пікселями. У растровому вигляді представимо будь-яке зображення, проте цей спосіб зберігання має свої недоліки: більший обсяг пам'яті, необхідний для роботи з зображеннями, втрати при редагуванні.

фрактальна графіка

Фрактал - об'єкт, окремі елементи якого успадковують властивості батьківських структур. Оскільки більш детальний опис елементів меншого масштабу відбувається по простому алгоритму, описати такий об'єкт можна всього лише декількома математичними рівняннями. Фрактали дозволяють описувати цілі класи зображень, для детального опису яких потрібно відносно мало пам'яті. З іншого боку, фрактали слабо застосовні до зображень поза цих класів.

Інструмнти для комп'ютерної графіки

Графічний планшет

В сучасних планшетах основною робочою частиною також є мережа з проводів (або друкованих провідників), подібна до тієї, що була в «Графаконах». Ця сітка має досить великий крок (3-6 мм), але механізм реєстрації положення пера дозволяє отримати крок зчитування інформації набагато менше кроку сітки (до 200 ліній на мм).

За принципом роботи і технології існують різні типи планшетів. В електростатичних планшетах реєструється локальна зміна електричного потенціалу сітки під пером. В електромагнітних - перо випромінює електромагнітні хвилі, а сітка служить приймачем. В обох випадках на перо має бути подано харчування.

Фірма Wacom (англ.) Створила технологію на основі електромагнітного резонансу, коли сітка і випромінює, і приймає сигнал. При цьому випромінюється сіткою сигнал використовується для живлення пера, яке, в свою чергу, посилає відповідний сигнал, який є не просто відображенням вихідного, а заново сформованим, який, як правило, несе додаткову інформацію, що ідентифікує конкретний перо, а також дані про силу натискання, фіксації / становищі органів управління на покажчику, про те, чи використовується робочий кінчик пера або його «ластик» (в разі, якщо такі функції в ньому передбачені). Тому окремого харчування для такого пристрою не потрібно. Але при роботі електромагнітних планшетів можливі перешкоди від випромінювальних пристроїв, зокрема моніторів. На такому ж принципі дії засновані деякі Тачпед.

Існують планшети, в комплект яких входять пір'я. здатні реєструвати силу натискання. Як правило, в основі механізму реєстрації лежить використання конденсатора змінної ємності. Зокрема, такий тип датчика використовується в пір'ї до планшетів фірми Wacom. Також реєстрація може здійснюватися за допомогою компонента зі змінним опором або змінною індуктивністю. Існують реалізації, в основі яких лежить п'єзоелектричний ефект. При натисканні пера в межах робочої поверхні планшета, під якою прокладено сітка провідників, на пластині пьезоелектрика виникає різниця потенціалів, що дозволяє визначати координати потрібної точки. Такі планшети взагалі не вимагають спеціального пера і дозволяють креслити на робочій поверхні планшета як на звичайній креслярської дошці.