Основные понятия компьютерной графики

область информатики,
изучающая методы и свойства обработки изображений с помощью
программно-аппаратных средств.
Компьютерная графика -
Под видами компьютерной графики подразумевается способ хранения изображения
Виды компьютерной графики отличаются принципами формирования изображения

Компьютерная графика – это «система методов, алгоритмов и программ для ввода, обработки и отображения информации на графических устройствах ЭВМ».
Компьютерную графику образует целый набор различных средств – математических, алгоритмических, программных, технических.

Научная графика
Деловая графика
Конструкторская графика
Иллюстративная графика
Художественная и рекламная графика
- трехмерные реалистические изображения
- компьютерная анимация (мультфильмы)
- мультимедиа
1. Основные 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.

Деловая графика
Область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений (плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки). 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).

Иллюстративная графика
Это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения.

Художественная и рекламная графика
С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти.

2. История развития компьютерной графики
XVIII – н.XX века
Механические «рисовальщики»
Механизация ткачества
Телетайпные рисунки

1. Псевдографическая печать на знаковом печатном устройстве в виде мозаики из символов
1950-1955 годы

Ок. 1950 г. изображение танцующего шотландского выведено горца на осциллографе компьютера «Эдсак».

интерактивная вычислительная система Whirlwind ("Вихрь")
Айвен Сазерленд создал графическую систему «Блокнот» (Sketchpad)
1956-1960 годы

дешевые системы растровой графики
1972 г. спутник «Маринер-9» передал космоснимки Марса
видеоигры
таблицы выбора цветов
1976-1980 годы

ПК с графическими возможностями
WYSIWYG (What You See Is What You Get – что ты видишь, то ты и получишь)
1980-1985 годы

2. Вывод графических изображений (графиков, диаграмм, чертежей) на бумагу с помощью плоттера

3. Использование графических дисплеев,
графической печати на цветных принтерах

производство фильмов с использованием КГ
1985 в Канаде основана исследовательская лаборатория Коупленда (Corel)
1988 первая версия Adobe Photoshop Томаса и Джона Нолла
1986-1990 годы

4. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

2. Видеосистема персонального компьютера
Центральный
процессор
ЦП
Оперативная
память
ОЗУ
Информационная магистраль
Видеопамять
Дисплейный процессор
Видеоконтроллер
(графический адаптер, видеокарта)
Графический
монитор

Технические средства компьютерной графики

Графический монитор
N
M
пиксель
Разрешающая
способность экрана
Размер M x N
640x200,
640x480,
1024x768,
1280x1024

Мониторы:
Электронно-лучевые
Жидкокристаллические
Газоплазменные

Электронно-лучевой монитор

Жидкокристаллические мониторы

Газоплазменные мониторы

Видеокарта(видеоадаптер)

растровая
векторная
фрактальная
точка
линия
треугольник
3D графика
плоскость
3. Виды компьютерной графики
Наименьший элемент
отличаются принципами формирования изображения

3.1 Растровая графика
Применяется при разработке электронных и полиграфических изданий
Большинство редакторов ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку
В Интернете применяются только растровые иллюстрации

Растр -
(от англ. raster) – представление изображения в виде двумерного массива точек (пикселов), упорядоченных в ряды и столбцы.

Характеристики растрового изображения :
разрешение,
цветовая глубина,
физический размер
применяемая цветовая модель.

Основной элемент растрового изображения -точка
Разрешение изображения выражает количество точек в единице длины, т.е. плотность точек
(dpi – количество точек на дюйм)
(dots per inch, dpi).
При низком разрешении возникает так называемый эффект пикселизации.
Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем

ПИКСЕЛЬ (pixel — picture element) — черно-белые или цветные точки, на которые разделен экран монитора.
Управляя их яркостью свечения, можно рисовать, чертить, строить графики.

Следует различать:
Разрешение изображения (плотность точек)
Разрешение дисплея – количество точек (1280*1024)
Разрешение камеры (общее количество точек матрицы 8Мега пикселей)

ГЛУБИНА ЦВЕТА
(качество цветопередачи, битность изображения) —объём памяти в количестве бит, используемых для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (4, 8, 16, 24).
Каждый цвет можно рассматривать как возможные состояния точки, и тогда по формуле N=2I может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора.

Для растровых изображений существуют два отдельных понятия: пиксельный размер и размер отпечатка.
Размер отпечатка может задаваться произвольно и зависит от возможностей вашего оборудования.
Если умножить длину или ширину отпечатка в дюймах на разрешение, то поучим пиксельный размер изображения:
Ширина, дюймов * разрешение, dpi = пикселов по горизонтали ❶
Высота, дюймов * разрешение, dpi = пикселов по вертикали

Пример 1.
Пусть с цифрового фотоаппарата получена фотография размером 2272*1704 пиксела.
C каким качеством можно напечатать такую фотографию на листе формата А4 (210*297мм или 8.2*11.6 дюйма)?
Из (1) имеем следующие уравнения:
8.2 * X = 1704
11.6 * Y = 2272
Длинная сторона снимка в 2272 пиксела должна располагаться по длинной стороне листа.
Получаем X ≈ 207, Y ≈195.
Таким образом, на листе формата А4 можно получить отпечаток с разрешением примерно 200dpi – вполне приемлемо для такого формата.

Пример 2
Решим обратную задачу.
Мы хотим получить отпечаток 10*15см (4*6 дюйма) с разрешением 300dpi.
Какой пиксельный размер изображения для этого понадобится?
Получаем следующие уравнения:
6 * 300 = X
4 * 300 = Y
Отсюда X = 1800, Y = 1200.
Всего в картинке должно быть 1800*1200=2160000 пикселов или 2,16MPx. Следовательно, для получения отпечатка желаемого качества нужен цифровой фотоаппарат с матрицей более 2MPx

Растровые изображения, особенно высокого разрешения и с большой цветовой глубиной, занимают значительные объемы памяти.
Пример 3
Подсчитать, сколько места в памяти займет цветная картинка формата А4 (8.2*11.6 дюйма), если ее отсканировать с разрешением 300dpi и цветовой глубиной 24 бита.
Подсчитаем размер изображения в пикселах:
X=11.6*300=3480
Y= 8.2*300=2460
Таким образом, всего картинка состоит из 3480*2460=8560800 точек.
На каждую точку отводится 24 бита или 3 байта.
Тогда общий объем памяти для хранения изображения будет равен 8560800*3=25682400 байт или 24.5 Мб.

Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной (интенсивностью) цвета.
Полная информация обо всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения.

Размер файла зависит от:
глубины цвета точек;
размера изображения (в большем размере вмещается больше точек);
разрешения изображения (при большем разрешении на единицу площади изображения приходится больше точек).

Основные проблемы при работе с растровой графикой
Большие объемы данных
Для обработки растровых изображений требуются высокопроизводительные компьютеры
Увеличение изображения приводит к эффекту пикселизации, иллюстрация искажается

Антиалайзинг
Суть метода - в местах, где образуется такая “лесенка”, соседние пиксели подкрашиваются в промежуточный цвет.
Так, с одной стороны, размывается контур изображения, но с другой – глаз не замечает неровности края.

ретуширование, реставрирование фотографий;
создание и обработка фотомонтажа;
оцифровка фотоматериалов при помощи сканирования (изображения получаются в растровом виде).
Применение растровой графики

Paint
Adobe PhotoShop
GIMP
Corel PhotoPaint
Photostyler
Picture Publisher
Painter
Fauve Matisse
Corel Paint Shop Pro Скриншот
Программы для работы с растровой графикой

это метод представления изображения в виде совокупности отрезков и дуг и т.д.
Вектор - это набор данных, характеризующих какой-либо объект.
3.2 Векторная графика

Сложные объекты векторной графики при увеличении можно рассматривать более подробно

Прямые линии;
Ломаные линии;
Многоугольники;
Окружности и эллипсы;
Кривые Безье.
Примитивы векторной графики

Объекты векторной графики

Сегменты векторных изображений состоят из базовых геометрических элементов двух видов: отрезков и дуг.
Отрезок задается четырьмя числами
(координатами начала x1,y1 и конца x2,y2),
дуга – шестью: координатами центра x1,y1, начальным α и конечным β углами и начальным R1 и конечным R2 радиусами.

Графические редакторы: CorelDraw, Adobe Illustrator.
Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики много проще.
,

Объем информации, содержащейся в векторном представлении, не зависит от физических размеров изображения.
Например, на одной картинке представлен отрезок от точки (0,0) до точки (10,10), а на другой – от точки (1000,1000) до точки (10000,10000). Обе картинки займут одинаковое место в памяти, поскольку для хранения одной координаты зарезервирован один и тот же объем памяти - скажем, 6 байт. Тогда описание отрезка любой длины всегда будет занимать ровно 6*4=24 байта.
Это важное свойство векторных изображений, позволяющее в масштабе 1:1 работать с чертежами целых зданий, мостов, самолетов и других крупных объектов.

,
Сравнение растровой и векторной графики

,

,

Если у вас имеется чертеж, выполненный на бумаге, его можно отсканировать, но в результате получится растровое представление, качественно перевести которое в векторное практически невозможно.
Это еще одно фундаментальное свойство двух рассматриваемых представлений: векторное изображение легко перевести в растровое, а вот растровое в векторное – крайне сложно.

как и векторная - вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся.
Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому хранятся только формулы.
Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить другую картину. .
3.3 Фрактальная графика

Фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба.
Термин был предложен Бенуа Мандельбротом в 1975 году в его книге «Фрактальная геометрия природы».

Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.
Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, в программировании.
,

3.4 Шрифты
Шрифт – это упорядоченный набор изображений, в котором есть определенные места для каждого символа.
Текст представляет собой ссылки на рисунки, которые хранятся в файле шрифта.

Шрифт может содержать как растровые, так и векторные символы (большинство).
Возможность представления символа в любом размере
Возможность вывода текста на устройствах с низким разрешением

Форматы шрифтов:
TrueType (Windows) используются кривые Безье 2-го порядка;
PostScript (Macintosh) используются кривые Безье 3-го порядка;
OpenType - поддерживает Unicode-кодировку. Обладает бо́льшими (по сравнению с TrueType) возможностями допечатной подготовки и меньшим размером файла при одинаковом количестве содержимых литер.

4. Форматы графических файлов

Красным цветом выделены смешанные

Форматы растровой графики

Форматы файлов растровой графики

Форматы файлов векторной графики

Решение задач

Число цветов, воспроизводимых на экране монитора (K), и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (N), можно найти по формуле K=2N.
Объем памяти на все изображение вычисляется по формуле V=Q*N,
Q – общее количество пикселей.

Цвет на web – страницах кодируется в RGB и записывается в шестнадцатеричной системе: #RRGGBB, - где RR, GG и BB – яркости красного, зеленого и синего, записанные в виде двух шестнадцатеричных цифр; это позволяет закодировать 256 значений от 0 (0016) до 255 (FF16) для каждой составляющей.

Задание 1
Разрешение экрана монитора – 1024*768 точек,
глубина цвета – 16 бит.
Каков необходимый объем видеопамяти для данного графического режима?

Задание 2
Для хранения растрового изображения размером 320*400 пикселей потребовалось 125 Кбайт памяти.
Определите количество цветов в палитре.

Задание 3
Цвет пикселя монитора определяется тремя составляющими: зеленой, синей и красной. Под красную и синюю составляющие одного пикселя отвели по 5 бит.
Сколько бит отвели под зеленую составляющую одного пикселя, если растровое изображение размером 8*8 пикселей занимает 128 байт памяти?

Следующие задания на кодирование цвета. Для их решения необходимо знать:
если все три пары байтов XX XX XX, кодирующих основные цвета RGB, равны или мало отличаются друг от друга, то это код серого цвета той или иной насыщенности;
если старший байт в коде данного цвета меньше 4, то можно считать, что данный цвет отсутствует;
если же старший байт 7 или больше, то влияние этого цвета весьма существенно.

Задание 4
Задание 6
Задание 5
К какому цвету будет близок цвет страницы, заданной тегом
1. Белый 3. Серый
2. Черный 4. Синий
К какому цвету будет близок цвет страницы, заданной тегом
1. Белый 3. Серый
2. Черный 4. Синий
К какому цвету будет близок цвет страницы, заданной тегом
1. Белый 3. Желтый
2. Черный 4. Синий

Задание 7
Какой цвет в режиме CMYK кодируется последовательностью (255,0,255,0)?
Задание 8
Какой цвет в режиме RGB кодируется последовательностью (255,128,0)?

Форматы файлов растровой графики

Форматы файлов растровой графики