Форматы хранения графической информации

Введение

 Компьютерная графика - это раздел информатики, занимающийся проблемами «рисования» на ЭВМ, область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности.

Как следует из определения – компьютерным (цифровым) может быть названо изображение, созданное с помощью компьютерной программы.

Почти с момента создания ЭВМ появилась и компьютерная графика, которая сейчас считается неотъемлемой частью мировой технологии.

Первоначально программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью символов (звездочек, точек, крестиков, букв и др.) получались рисунки, напоминающие мозаику. Так печатались графики функций, изображения течений жидкостей и газов, изображения электрических и магнитных полей и т.д. С помощью символьной печати программисты умудрялись получать даже художественные изображения.

Затем появились специальные устройства для графического вывода на бумагу – графопостроители (плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображения: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее.

Но настоящая революция в компьютерной графике  произошла с появлением графических дисплеев. На экране графического дисплея стало возможным получать рисунки, чертежи в таком же виде, как на бумаге с помощью карандашей, красок, чертежных инструментов.

Связь традиционной и компьютерной графики, с одной стороны, определяет применение множительной техники. С другой стороны, можно найти еще одно объяснение возникновению термина «графика» применительно к работе художника-компьютерщика. Слово графика означает изображение линиями, штрихами, точками. А все графические компьютерные программы принципиально разделяются на два типа: векторные (изображение строится линиями) и растровые (изображение пятном из точек), то есть, каким бы сложным ни казалось изображение, созданное в компьютере, по своей сути, любое из них относится к графике.

Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся:

        Графический интерфейс пользователя;

        Спецэффекты, Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография;

        Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;

        Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;

      Цифровая живопись;

      Визуализация научных и деловых данных;

● Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);

      Системы автоматизированного проектирования;

      Компьютерная томография.

      Компьютерная графика для кино и телевидения

      Лазерная графика.

Глава 1

Виды компьютерной графики

              Несмотря на то, что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, по способам задания изображений графику можно разделить на 2 основных категории: двухмерная графика (2D) и трехмерная графика (3D). Рассмотрим подробнее каждый из этих видов.

1.1    Двухмерная графика (2D)

Двухмерная (или 2D-графика) - это основа всей компьютерной графики (в том числе и ЗD-графики). Ни один компьютерный художник-дизайнер не может плодотворно работать над своими проектами без понимания базовых положений двухмерной графики. Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

   Векторная графика – вид компьютерной графики, в котором изображение представляется в виде совокупности отдельных объектов, описанных математически.

Основным логическим элементом векторной графики является геометрический объект. В качестве объекта принимаются простые геометрические фигуры (так называемые примитивы) - прямоугольник, окружность, эллипс, линия, составные фигуры или фигуры, построенные из примитивов, цветовые заливки, в том числе градиенты (см. Рис 1, Приложение 1).

Преимущество векторной графики заключается в том, что форму, цвет и пространственное положение составляющих ее объектов можно описывать с помощью математических формул.

Важным объектом векторной графики является сплайн (см. Рис 1, Приложение 1).

  Сплайн - это кривая, посредством которой описывается та или иная геометрическая фигура. На сплайнах построены современные шрифты TryeType и PostScript.

У векторной графики много достоинств. Она экономна в плане дискового пространства, необходимого для хранения изображений: это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, используя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых характеристик почти не увеличивает размер файла.

Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не оказывает практически никакого влияния на качество изображения. Масштабирование, поворот, искривление могут быть сведены к паре-тройке элементарных преобразований над векторами.

Растровая графика

  Растровая графика - это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или точек цветов (на практике прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

Растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек, называемых пикселями, расположенных на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно также как в мозаике.

При редактировании растровой графики Вы редактируете пиксели, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к "разлохмачиванию" краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки – т.е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами.

Фрактальная графика

 Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти.

Самыми известными фрактальными изображениями являются деревья: от каждой ветки ответвляются меньшие, похожие на нее, от тех – еще меньшие и так далее.

С точки зрения машинной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря.

1.2    Трехмерная графика (3D)

Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

     моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.

     рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

     вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость

Глава 2

Форматы хранения графической информации

  Графический формат – это метод хранения графической информации, а именно изображений, рисунков, фотографий.

Графические форматы различаются по виду хранимых данных (растровая, векторная и смешанная формы), по допустимому объему данных, параметрам изображения, хранению палитры, методике сжатия данных, по способам организации файла (текстовый, двоичный), структуре файла (с последовательной или ссылочной (индексно-последовательной) структурой) и т.д. (см. Рис 6, Приложение 2)

Векторные алгоритмы записи используют уникальные для каждой фирмы-поставщика математические модели, описывающие элементы изображения.

Ниже описан ряд наиболее распространенных графических форматов.

Растровые форматы:

1.      GIF — независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году (GIF87a) фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности и анимации. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы).

2.     JPEG — алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, а на разнице между пикселями. Кодирование данных происходит в несколько этапов. Сначала графические данные конвертируются в цветовое пространство типа LAB, затем отбрасывается половина или три четверти информации о цвете (в зависимости от реализации алгоритма). Далее анализируются блоки 8х8 пикселов. Для каждого блока формируется набор чисел. Первые несколько чисел представляют цвет блока в целом, в то время, как последующие числа отражают тонкие делали.

3.     PNG — разработанный относительно недавно формат для Сети, призванный заменить собой устаревший GIF. Использует сжатие без потерь Deflate, сходное с LZW (именно из-за патентования в 1995-м году алгоритма LZW возник PNG). Сжатые индексированные файлы PNG, как правило, меньше аналогичных GIF’ов, PNG RGB меньше соответствующего файла в формате TIFF.

4.     TIFF — аппаратно независимый формат TIFF появился как внутренний формат программы Aldus PhotoStyler. Его модульная архитектура оказалась настолько удачной, что, успешно пережив смерть родной программы, TIFF и в наши дни продолжает совершенствоваться и развиваться. Сегодня он является одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают практически все программы на РС и Макинтош так или иначе связанные с графикой. Как правило, TIFF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы.

5.     PostScript — язык описания страниц (язык управления лазерными принтерами) фирмы Adobe. Был создан в 80-х годах для реализации принципа WYSIWYG (What You See is What You Get). Файлы этого формата представляют из себя программу с командами на выполнение для выводного устройства. Они имеют расширение .ps или, реже, .prn и получаются с помощью функции Print to File графических программ при использовании драйвера PostScript-принтера.

6.        BMP (Windows Device Independent Bitmap) — еще один родной формат Windows. Он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под управлением этой операционной системы. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows и, по сути, больше ни на что не пригоден.

7.        RTF (Microsoft Rich Text Format) — текстовый формат RTF попал сюда за свои неординарные способности к переносу текстов из одной программы в другую. Он позволяет передавать форматированный текст из программ оптического распознавания символов или текстовых редакторов в графические программы или в любых других направлениях. RTF может оказаться хорошим решением (а, иногда, и единственным выходом) при переброске из программы в программу нелатинского, например, ивритского текста или русского в Windows 95/98 Hebrew Edition.