Технологии и средства обработки графической информации

Распространение компьютерной графики началось с полиграфии. Но вскоре она вырвалась из тесных помещений типографий на простор широкого применения. Огромную популярность завоевали компьютерные игры, научная графика и фильмы. Сейчас без развитой и изощренной графики не обходится ни один фантастический фильм, ни одна компьютерная игра. Создаются изображения настолько реальные, что трудно поверить в то, что все это создано на компьютере. Мощнейшие машины и талантливейшие команды математиков, программистов и дизайнеров работают над этим. Ни один доклад в сфере бизнеса не обходится без компьютерной презентации.

Из простого перечисления областей применения видно, что понятие «компьютерная графика» довольно обширно – от алгоритмов, рисующих на экране причудливые узоры, до мощных пакетов 3D-графики и программ, имитирующих классические инструменты художника. То есть, компьютерная графика не является простым рисованием при помощи компьютера, а представляет собой довольно сложный комплекс, который условно можно разделить на несколько направлений:

· двухмерная графика

· полиграфия

· web-дизайн

· мультимедиа

· 3D-графика и компьютерная анимация

· видеомонтаж

· САПР и деловая графика.

Сферы применения компьютерной графики чрезвычайно разнообразны. Каждый ее раздел имеет свои отличительные особенности и тонкости «технологического производства». Для каждого из них создано свое программное обеспечение, включающее разнообразные специальные программы (графические редакторы). Вне зависимости от области использования каждый графический редактор должен иметь:

· инструменты рисования на компьютере;

· библиотеку готовых изображений;

· набор шрифтов;

· набор спецэффектов;

· а также быть совместимыми с другими графическими программами.

Многие пользователи ПК связывают понятие компьютерной графики с программами, предназначенными для редактирования двухмерных цифровых изображений. Это программное обеспечение по принципу действия и функциональному назначению можно разделить на три группы:

1. растровая графика

2. векторная графика

3. фрактальная графика.

Наиболее широко в компьютерной графике представлены первых два типа программ: растровые и векторные. А фрактальная графика, как и векторная – вычисляемая и занимает промежуточное положение между векторной и растровой. Кроме того, фрактальные узоры часто используют в качестве красивых фрактальных заливок в редакторах растровой и векторной графики. Двухмерная, или 2D-графика, - это основа всей компьютерной графики (в том числе и 3D-графики). Ни один компьютерный художник-дизайнер не может плодотворно работать над своими проектами без понимания базовых положений двухмерной графики.

Растровая графика

Большинство программ для редактирования изображений являются растровыми программами. В них изображение формируется из решетки крошечных квадратиков, именуемых пикселами. Поскольку каждый пиксел на экране компьютера отображен в специальном месте экрана, то программы, которые создают изображение таким способом, называют побитовыми, или программами с побитовым отображением. Решетку (или матрицу), образуемую пикселами, называют растром. Поэтому программы с побитовым отображением также называются растровыми программами.

Как создается цифровое изображение? Многие программы для обработки изображений позволяют пользователю выбирать нужные электронные кисть, цвет и краску. Иногда конечный результат неотличим от традиционной живописи, но, в общем, возможности компьютера гораздо шире традиционных..

Большинство традиционных изображений сначала поступают в компьютер при помощи сканера или цифрового фотоаппарата. С помощью сканера можно оцифровать слайд, диапозитив, фотографию путем преобразования изображения в цифровые данные. Методика сканирования изображения с последующими операциями цветокоррекции и ретуширования наиболее часто используются в печатной компьютерной продукции, в первую очередь при создании рекламных объявлений и обложек журналов. Компьютер может поменять цвет вашей прически или глаз, отретушировать родинку на щеке, изменить цвет или фон вашей фотографии, а также убрать все недостатки и дефекты. Для привлечения внимания зрителей компьютерные художники часто добавляют к фотографиям в журналах и рекламным объявлениям специальные эффекты, создавая сложные коллажи.

Процесс оцифровывания изображения посредством цифрового фотоаппарата несложен – человек просто направляет аппарат на объект съемки и нажимает спуск. Изображение мгновенно оцифровывается и записывается в запоминающее устройство внутри фотоаппарата. Вам не нужно покупать и проявлять пленку – ее просто нет. Вместо вывода изображения на слайды или печать фотографий оно загружается в компьютер по кабельной линии. Когда изображение появляется на экране компьютера, вы можете изменять его цвета, ретушировать, крутить-вертеть, изгибать, искажать для создания специальных эффектов в программах – редакторах изображений.

Растровые программы предназначены в основном для редактирования изображений, обеспечивая возможность цветокоррекции, ретуши и создания специальных эффектов на базе цифровых изображений. Пользуясь программными продуктами для формирования изображений, можно создавать коллажи, виньетки, фотомонтажи и подготавливать цветные изображения для вывода на печать.

На сегодняшний день программы редактирования изображений используются при производстве практически всех печатных изображений, где необходима фотография. Их применяют для стирания морщин с лиц фотомоделей, придания ярких красок пасмурным и мрачным дням и изменения общего настроения посредством специальных световых эффектов. Они также широко используются производителями мультимедиа для создания текстовых и фоновых эффектов и для изменения количества цветов изображения.

Векторная графика

Изображение, созданное в векторных программах, основывается на математических формулах, а не на координатах пикселов. Составляющие основу таких изображений кривые и прямые линии называются векторами. Так как при задании объектов на экране используются математические формулы, то отдельные элементы изображения, создаваемые в векторных программах, можно легко перемещать, увеличивать или уменьшать без проявления «эффекта ступенек». Так, для перемещения объекта достаточно перетащить его мышью. Компьютер автоматически пересчитывает его размер и новое местоположение.

Поскольку в этом случае изображение создается математически, векторные программы обычно используются тогда, когда нужны четкие линии. Они часто применяются при создании логотипов, шрифтов для вывода на плоттер и различных чертежей.

Когда вы выводите изображение, созданное в векторной программе, его качество зависит не от исходного разрешения изображения, а от разрешающей способности устройства вывода. Так как качество изображения не основывается на разрешении, то изображение, созданное в векторных программах, как правило, имеет меньший объем файлов, чем построенное в программах побитового отображения. В векторных программах нет проблем и со шрифтами – большие шрифтовые массивы не образуют файлов огромного размера.

Фрактальная графика

Фрактальная графика (ФГ), как и векторная – вычисляемая, но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению, поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину.

1. Простейшим фрактальным объектом является фрактальный треугольник. Постройте обычный равносторонний треугольник со стороной а. Разделите каждую из его сторон на 3 отрезка. На среднем отрезке стороны постройте равносторонний треугольник со стороной, равной 1/3 стороны исходного треугольника, а на других отрезках постройте равносторонние треугольники со стороной, равной 1/9а. С полученными треугольниками повторите те же операции. Треугольники последующих поколений наследуют свойства своих родительских структур. Так рождается фрактальная фигура.

 2. Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Взяв такой бесконечный фрактальный объект и рассмотрев его в лупу или микроскоп, можно найти в нем все новые и новые детали, повторяющие свойства исходной структуры.

    3. Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы. Обычная снежинка, многократно увеличенная, оказывается фрактальным объектом. Фрактальные алгоритмы лежат в основе роста кристаллов и растений.

         В отдельных ветках деревьев чисто математическими методами можно проследить свойства всего дерева. А если ветку поставить в воду, то вскоре можно получить саженец, который со временем разовьется в полноценное дерево.

         Способность ФГ моделировать образы живой природы вычисляемым путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

Трехмерная графика

Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов. В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования – создание подвижного изображения реального физического тела. В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

· спроектировать и создать виртуальный каркас («скелет») объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

· спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;

· присвоить материалы различным частям поверхности объекта;

· настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

· задать траекторию движения объектов;

· рассчитать результирующую последовательность кадров;

· наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. Особую область трехмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств – автомобилей, судов, летательных аппаратов. В них необходимо точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах. Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов.

Следует определить состав аппаратных и программных средств создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.).

К аппаратным средствам относятся в основном:

· монитор и видеокарта, поддерживающая графический режим отображения;

· видеоадаптеры (видеоускорители);

· 3D-акселераторы;

· манипуляторы «мышь»;

· сканеры;

· дигитайзеры;

· принтеры и графопостроители (плоттеры).

К программным средствам относятся:

· программы двумерной компьютерной живописи – графические редакторы, предназначенные для создания и обработки плоскостных (двумерных) статичных изображений (Painter, Adobe PhotoShop, Picture Man и др.);

· средства деловой графики;

· пакеты компьютерной графики для полиграфии – позволяют дополнять текст иллюстрациями разного формата, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;

· презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений, рекламных акций;

· программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино (Animator Pro, PowerAnimator и др.);

· программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок (AutoCAD, Sketch!, Ray Dream Designer, AutoStudio и др.);

· пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов (3D Studio, Power Animator, Truespace и др.);

· программы для научной визуализации (Surfer, Grapher, PV-Wave, Data Visualizer и др.).

Рассмотрим некоторые программы компьютерной графики.

MS Paint

Растровый редактор Microsoft Paint является стандартным приложением операционной системы. Одно из главных достоинств программы MS Paint – доступность и компактность. Несмотря на это, в ней размещено ядро инструментальных средств, входящее в состав практически всех современных графических пакетов, а знакомство с ее инструментальными средствами позволяет эффективнее освоить более мощные средства работы с графикой.

Графический редактор MS Paint предназначен для создания, изменения и просмотра рисунков. С помощью технологии OLE созданное в нем изображение может быть вставлено в любой другой документ или использовано в качестве фона рабочего стола. При наличии определенных навыков рисования редактор MS Paint позволяет подготовить вполне приличные рисунки для мультимедиа-презентаций. Кроме того, его можно использовать для просмотра и правки фотографий, введенных с помощью цифровой камеры или сканера.

Подобно большинству популярных программ, MS Paint содержит развитую справочную систему, которая аналогична большинству приложений, работающих под Windows.

Пользовательский интерфейс редактора MS Paint предельно прост и ориентирован на интуитивное применение. Большинство пользователей начинают работать с редактором сразу без какого-либо знакомства с его возможностями.

Adobe Photoshop

Adobe Photoshop – непревзойденный редактор оцифрованных изображений, признанный всеми стандарт.

Основные рабочие качества Adobe Photoshop:

1. Возможность создания многослойного изображения. При этом каждый элемент иллюстрации может быть сохранен в собственном, отдельном слое, который может редактироваться отдельно, перемещаться относительно других слоев и т.д. Конечное изображение можно сохранить как в оригинальном, «многослойном» виде, так и слить все слои в один, переведя готовую картинку в один из стандартных форматов.

2. Улучшенные инструменты для работы с текстом. Начиная с шестой версии программы можно добавлять текстовые вставки в любой участок изображения, «набивая» текст прямо поверх картинки. В дальнейшем текст можно редактировать, указав на него мышкой.

3. Около 100 разнообразных фильтров и спецэффектов.

4. Несколько десятков инструментов для рисования, вырезания контуров изображения.

5. Богатейшие возможности совмещения изображений, работа с текстурами.

6. Возможность работы с десятками популярных графических форматов.

7. Профессиональные инструменты для выделения и редактирования отдельных участков изображения.

8. Формат файлов.

9. Возможность многоступенчатой отмены внесенных изменений.

Однако неплохой набор средств редактирования сам по себе не дает Photoshop того преимущества, которое он имеет сегодня. Другое дело, что все эти инструменты реализованы не на любительском уровне, а на профессиональном.

Работа с цветами – вот качество, которое возносит его на поистине недосягаемую высоту. Adobe Photoshop снабжен инструментами для тончайшей регулировки цветов отсканированного изображения, причем параметры каждого цвета или оттенка в картинке можно отрегулировать отдельно.

Модули создания спецэффектов – другой козырь Adobe Photoshop. Этих модулей существуют сотни – от простых, повышающих резкость изображения, до весьма экзотических, позволяющих создавать трехмерные объемные объекты из двухмерных фото, имитировать эффекты взрывов, сигаретного дыма и т.д.

CorelDraw

Corel Draw считается наиболее мощным, известным и универсальным среди векторных редакторов на сегодняшний день. CorelDraw изначально был задуман как универсальный редактор, применяемый для решения абсолютно всех задач векторной графики. Сегодня же CorelDraw применяется для изготовления рекламной продукции, плакатов, листовок, календарей, визиток, шрифтовых работ с выводом на плоттер и т.д.

Достоинства Corel Draw:

Преимущества над другими программами вытекают в основном из преимуществ векторной графики над растровой:

· изменение масштаба без потери качества и практически без увеличения размеров исходного файла;

· огромная точность (до сотой доли микрона);

· небольшой размер файла по сравнению с растровыми изображениями;

· прекрасное качество печати, возможность вывода на плоттер;

· отсутствие проблем с экспортом векторного изображения в растровое;

· работа с разными платформами;

· хорошая совместимость с другими программами. Поддерживаются различные форматы файлов с сохранением всех слоев изображения. Имеется более 70 фильтров для импорта и 40 фильтров для экспорта изображений, охватывающих практически все стандарты графики, изображений и файловые форматы;

· использует специальный интерфейс для работы с цифровыми камерами, тем самым обеспечивая возможность загрузки изображений, снятых 120 моделями камер;

· поддерживается создание web-страниц с помощью мастера преобразования в формат HTML с использованием карт изображений и ссылок;

· в последних версиях введена возможность создания электронных публикаций.

Недостатки Corel Draw также главным образом являются недостатками векторного редактора по сравнению с растровыми.

Практически невозможно экспортировать из растрового формата в векторный. Невозможно напрямую применить обширную библиотеку эффектов, используемых при работе с растровыми изображениями. Окна диалога в некоторой степени перегружены кнопками и опциями. С одной стороны, это хорошо, поскольку обеспечивает максимальную настраиваемость программы под конкретного пользователя, но с другой стороны – мешает отделить главные параметры настройки от второстепенных. В различных версиях этой программы присутствуют досадные ошибки разработчиков. Corel Draw не имеет инструментов деловой графики, предоставляющих возможность быстро и просто создавать графики и диаграммы. Однако перечисленные недостатки программы не могут перечеркнуть ее огромных и неоспоримых достоинств.

Программное обеспечение должно быть подобрано таким образом, чтобы оно соответствовало требованиям, предъявляемым к учебным программным средствам, и устойчиво работало на имеющихся в наличии компьютерах.