В статье рассматриваются виды компьютерной графики, такие как векторная графика, графические растровые изображения и фрактальная графика, средства 3-D моделирования, освещаются различия между ними, а также способы, методы и области применения. Так же рассматриваются программные продукты, предназначенные для обработки графических изображений и 3-D моделирования, Adobe Photoshop, Corel Draw.
Ключевые слова: вектор, растр, фрактал, графика, изображение, 3D-моделирование
Компьютерная графика — гигантская область современных компьютерных знаний. В общем смысле под ней понимают генерирование изображений и видео посредством компьютера. Как правило, это относится к данным, созданным посредством специализированных графических программ. Термин «компьютерная графика» был придуман дизайнерами Уильямом Феттером и Верном Хадсоном в 1960 г. (в это время они работали в компании Боинг).
В наши дни под термином «компьютерная графика» понимается:
‒ представление данных изображения посредством компьютера и управление ими;
‒ разные методики формирования и обработки изображений;
‒ раздел информатики, изучающий методы цифрового синтеза визуального контента и управления им
Применение компьютерной графики:
‒ вычислительная биология — использование математических и статистических моделей для решения биологических проблем;
‒ вычислительная физика — применение численных алгоритмов для решения проблем в физике;
‒ упрощенное представление сложной информации;
‒ научная визуализация — 3D-визуализация архитектурных, метеорологических, медицинских и биологических моделей;
‒ графический дизайн — объединение символов, изображений и/или слов для визуального воспроизведения идей и сообщений;
‒ автоматизированное проектирование — формирование геометрических моделей объектов;
‒ веб-дизайн — создание систем индикации контента с помощью Интернет-браузера;
‒ цифровое искусство — создание произведений искусства в цифровой форме;
‒ виртуальная реальность и видеоигры — применение методик взаимодействия пользователя с машинно-моделируемой средой;
‒ машинное моделирование
Для визуализации данных используется множество инструментов. Визуальная информация, сгенерированная посредством ЭВМ, подразделяется на:
‒ двухмерную;
‒ трехмерную;
‒ анимированную
Классификация машинной графики по способу индикации изображения:
‒ растровая;
‒ векторная;
‒ фрактальная
Изображение растровой графики является точечно-матричной структурой, представленной обычно в виде прямоугольной сетки пикселей.
Пиксель — это наименьший элемент отображающей поверхности, которому могут быть определены различные характеристики изображения: цвет, яркость, прозрачность. Все пиксели имеют одинаковые форму и размер и отличаются лишь по цвету. Цвет пикселя определяется комбинацией битов.
Растровый образ изображения характеризуется определенным числом строк и столбцов. Изменение размера изображения такого типа неизбежно приводит к потерям. Чуть меньше они заметны при уменьшении размера изображения — отдельные детали просто исчезают с рисунка. Более отчетливо они проявляются при его увеличении — пиксели просто преобразуются в квадраты одного цвета, состоящие из нескольких пикселей
Рис. 1. Формирование растрового изображения на примере иконки Интернет-браузера Mozilla
Преимущества:
‒ высокая точность передачи оттенков и полутонов, вследствие чего растровые редакторы являются лучшим средством редактирования фотографий;
‒ растровый способ представления графической информации используется в большинстве мониторов, принтеров, сканеров, фотоаппаратов;
‒ возможность генерирования рисунка любой сложности;
‒ совместимость с большинством графических программ;
‒ распространенность использования — от небольших значков до огромных плакатов.
Недостатки:
‒ большой размер файлов (даже у простых изображений);
‒ затрудненное масштабирование изображений.
Хранение растровых изображений, как правило, осуществляется в сжатом виде. Сжатие (компрессия) может быть с потерями (точное восстановление изображения неосуществимо) или без потерь.
Форматы растровых изображений, предусматривающие компрессию без потерь:
‒ bmp — для хранения однослойных растров;
‒ gif — для построчного хранения изображения в палитре из 256 цветов;
‒ pcx — аналог bmp, предусматривающий объединение пикселей одного цвета, следующих друг за другом;
‒ png — формат, разработанный для замены gif-формата и имеющий ряд усовершенствований.
Форматы, в которых компрессия осуществляется с потерями:
‒ jpeg — популярный формат для хранения фотоизображений
В векторной графике представление изображения основано на векторах, соединяющих точки на плоскости, называемые контрольными точками или узлами. Каждый из узлов имеет свои координаты по осям x и y, а каждый вектор характеризуется определенным направлением маршрута. Маршруту могут быть назначены различные атрибуты, такие как цвет, форма, кривизна, толщина и заполнение.
Рис. 2. Сравнение изображений, сформированных двумя разными способами (слева — растровое, справа — векторное)
Для окружности, например, достаточно задать такие параметры, как: местоположение центра окружности, радиус и цвет. При масштабировании нужно просто изменить эти параметры.
Так как большинство дисплеев и принтеров являются растровыми устройствами, векторный формат изображения для них должен быть преобразован в растровый.
Достоинства:
‒ возможность изменения размеров изображений с сохранением качества;
‒ меньший размер файлов векторных изображений;
‒ высокое качество рисунка при его печати;
‒ возможность сохранения и последующей модификации параметров объектов;
‒ простота преобразования в растровый вид;
Недостатки:
‒ невысокая реалистичность
Основные форматы векторной графики:
‒ сdr — файлы, созданные редактором графики Corel Draw;
‒ ai — файлы, созданные графическим редактором Adobe Illustrator;
‒ wmf — медиаконтейнер
Рис. 3. Пример фрактального изображения
Фрактальная графика предусматривает автоматическое создание изображений путем выполнения математических расчетов. При этом изображения создаются путем программирования, а не рисования. Использование фрактальной графики в электронных или печатных документах минимальное.
Понятия фрактал появилось на свет в нач. 70-х г. г. прошлого века. Само слово «фрактал» (от лат. «fractus») указывает на то, что объект состоит из фрагментов. Основное свойство фракталов — самоподобие. Оно заключается в том, что увеличенные части фрагментов объекта похожи между собой и похожи на сам объект.
Обработка изображения в компьютере выполняется графическими редакторами.
Из простейших растровых редакторов наиболее широко используется Paint, установленный во всех версиях ОС Windows. Редактор позволяет открывать и редактировать файлы с форматами bmp, gif (без анимации), jpeg. Приложение может работать в черно-белом (двухцветном) или цветном режиме, однако в нем нет возможности отображения оттенков серого. Благодаря своей простоте Paint быстро завоевал популярность среди пользователей. Многие его применяют для получения первых навыков рисования на компьютере и выполнения простейших операций по манипуляции изображениями.
Самым известным профессиональным растровым редактором графики является Adobe Photoshop с мощным инструментарием для обработки изображений. Разработанный в 1988 г. братьями Томасом и Джоном Ноллом Photoshop он де-факто стал промышленным стандартом в редактировании растровой графики. В обиходе уже давно используется глагольная форма от названия этого редактора: «отфотошопить» (изображение).
Photoshop позволяет создавать и изменять растровые изображения с многоуровневой структурой, а также поддерживает использование масок, объединение объекта с фоном для создания эффекта прозрачности (полной или частичной). Этот редактор позволяет работать со всеми основными цветовыми моделями. Он поддерживает основные форматы изображений, но также имеет свой собственный — psd. Помимо основных своих функций Photoshop имеет ограниченные возможности по редактированию текста, векторных изображений, 3D-графики и видео.
Для расширения возможностей основной программы разработано множество специальных программных модулей — плагинов Photoshop, поставляемых отдельно и запускаемых в окне основной программы.
Векторные редакторы чаще используются для оформления веб-страниц, в типографии, для разработки логотипов, в качестве иллюстративных вставок для художественного оформления, построения диаграмм и сложных геометрических шаблонов.
Популярные векторные редакторы графического материала:
‒ Corel Draw;
‒ Adobe Illustrator;
‒ Microsoft Visio;
‒ Xara Xtreme
Некоторые из векторных редакторов поддерживают анимацию, но среди них есть и специальные программные пакеты для работы с анимированной графикой:
‒ Synfig Studio;
‒ Animatron;
‒ Adobe Flash
В любом случае, векторная графика больше подходит для работы с анимацией, чем средства анимации растровых редакторов. Векторные редакторы, в частности Scribus и Adobe InDesign, близки по своим характеристикам к настольным издательским системам. Современные средства векторной графики имеют возможность создания оригинальных брошюр, рекламных плакатов, состоящих из одной или нескольких страниц (ля создания больших документов используются программы верстки полос).
Специальные векторные редакторы используются в качестве систем автоматизированного проектирования. Они не подходят для художественной или декоративной графики, однако имеют множество инструментов и библиотек объектов, обеспечивающих использование средств рисования при создании сложных чертежей.
Кроме того, программы 3D-графики также можно использовать в дополнение к традиционным двумерным векторным редакторам. Это такие программы как:
‒ 3D Studio Max;
‒ Blender;
‒ Maya
Программные комплексы для генерирования фракталов имеют возможности: выбора алгоритма; сохранения файлов в png, tiff или jpeg форматах; создания файла параметров, благодаря которому пользователь может легко вернуться к ранее созданным изображениям для их последующей модификации.
Многие программные пакеты позволяют пользователю вводить свои собственные формулы для управления фракталами, выбирать способ цветопередачи, фильтры и другие средства манипуляции изображениями. Некоторые программы позволяют создать изображения из последовательности фрактальных изображений.
Кроме того, отдельные стандартные графические пакеты (такие как GIMP) содержат фильтры или плагины, которые могут использоваться для генерирования фракталов. В свою очередь, программные комплексы, специализирующиеся на создании фракталов, могут применяться вместе с другими графическими редакторами для создания более сложных изображений.
Для коммерческого и свободного использования доступны следующие программы, генерирующие фракталы:
‒ Electric Sheep — система распределенных вычислений с открытым кодом;
‒ Chaotica — коммерческая программа для ОС MS Windows, Mac OS и Linux;
‒ Apophysis — программа с открытым кодом для операционной системы (ОС) MS Windows;
‒ Sterling — свободная программа для MS Windows;
‒ Kalles Fraktaler — программа масштабирования изображения для MS Windows;
‒ Fractint — свободная программа с открытым кодом;
‒ XaoS — кросс-платформенная программа масштабирования фракталов с открытым кодом;
‒ Ultra Fractal — генератор фракталов для ОС Mac OS и MS Windows;
‒ Terragen — генератор фракталов
Литература:
1. Ковалев А. С., Шалимова О. А., Польшакова Н. В. Новые технологии компьютерной графики объемного 3d моделирования и их практическая реализация // Успехи современного естествознания. 2010. № 10. С. 85–88.
2. Ковалев А. С., Шалимова О. А., Трифонова М. И., Анциферова Н. И., Епишина А. В., Польшакова Н. В. Исследование оптимизации моделирования изображений объектов в прикладных программах современных информационных систем (компьютерные технологии в науке и образовании) // Успехи современного естествознания. 2010. № 3. С. 127–128.
3. Волченкова Л. Ю., Польшакова Н. В. Современные информационные мультимедиа-ресурсы для вузов // В сборнике: Аграрный сектор экономики России: пути к эффективности 2015. С. 219–223.
4. Польшакова Н. В., Виневская Н. Ю., Раманова О.И Создание наглядных демонстрационных материалов с использованием различных программно-прикладных пакетов обработки цифровой информации // Молодой ученый. 2014. № 17. С. 33–36.
