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. Насыщенность характеризует 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 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 [:]