Графическая информация и средства ее обработки

Введение

     Представление данных на мониторе компьютера в  графическом  виде впервые было реализовано в  середине 50-х годов для больших  ЭВМ, применявшихся в научных  и военных исследованиях. С тех  пор графический способ отображения  данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных  систем.

     Существует  специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

     На  стыке компьютерных телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.

Заметное  место в компьютерной графике  отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.

     Хотя  компьютерная графика служит всего  лишь инструментом, ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию. Исходя из выше изложенного, данная тема является актуальной.

Объект исследования: область программного обеспечения компьютера.

Предмет исследования: графическая информация и средства ее обработки.

Цели  и задачи:

1. проанализировать научную литературу по данной теме;
2. выявить главные приемы работы с графикой;
3. представить сравнительную характеристику графических редакторов.

 

1. Общие сведения о графической информации

1.1. Растровая графика

     Растровое изображение представляет из себя мозаику  из очень мелких элементов – пикселей. Растровый рисунок похож на лист клеточной бумаги, на котором каждая клеточка закрашена определенным цветом, и в результате такой раскраски формируется изображение.

     

      Принцип растровой графики чрезвычайно  прост. Он был изобретен и использовался  людьми за много веков до появления компьютеров. Во-первых, это такие направления искусства, как мозаика, витражи, вышивка. В любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов. Во-вторых, это рисование “по клеточкам” – эффективный способ переноса изображения с подготовительного картона на стену, предназначенную для фрески. Суть этого метода заключается в следующем. Картон и стена, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены.

      Создание  изображения в растровом графическом  редакторе (Paint, Fractal, Design, Painter, Corel Photo-PAINT, Adobe PhotoShop) похоже на работу художника, когда он пишет картину на настоящем холсте настоящими красками. Здесь компьютерный художник водит “кистью” – курсором мыши по “электронному полотну” – экрану, закрашивая каждый из пикселей рисунка в нужный цвет. Этот цвет закрепляется за определенным местом экрана и как бы “высыхает” подобно тому, как высыхает краска на настоящем холсте. Перемещение фрагмента изображения “снимает краску” с электронного холста и, следовательно, разрушает рисунок.

      Растровая графика работает с сотнями и  тысячами пикселей, которые формируют  рисунок. Пиксели “не знают”, какие объекты (линии, эллипсы, прямоугольники и т. д.) они составляют.

В компьютерной графике термин “пиксель”, вообще говоря, может обозначать разные понятия:

• наименьший элемент изображения на экране компьютера;
• отдельный элемент растрового изображения;

точка изображения, напечатанного на принтере;

      Поэтому, чтобы избежать путаницы, будем пользоваться следующей терминологией:

• видеопиксель – наименьший элемент изображения на экране;
• пиксель – отдельный элемент растрового изображения;
• точка – наименьший элемент, создаваемый принтером.

При этом для изображения одного пикселя  на экране компьютера может быть использован  один или несколько видеопикселей.

Экран дисплея разбит на фиксированное  число видеопикселей, которые образуют графическую сетку из фиксированного числа строк и столбцов. Размер графической сетки обычно представляется  в форме N*M, где N – количество видеопикселей по горизонтали, а M – по вертикали. На современных дисплеях используются, например, такие размеры графической сетки: 640*480, 800*600, 1024*768, 1240*1024 и др. Изображение на экране дисплея создается путем избирательной засветки электронным лучом определенных ведеопикселей экрана. Чтобы изображение могло восприниматься глазом, его необходимо составить из сотен или тысяч видеопикселей, каждый из которых должен быть подсвечен. 

Достоинства растровой графики

1. Если размеры пикселей достаточно малы (приближаются к размерам видеопикселей), то растровое изображение выглядит не хуже фотографии (рис. 2). Таким образом, растровая графика эффективно представляет изображения фотографического качества.

 

 

2. Компьютер легко управляет устройствами вывода, которые используют точки для  представления отдельных пикселей. Поэтому растровые рисунки могут  быть легко распечатаны на принтерах.

 

Недостатки  растровой графики

1. В файле растрового изображения запоминается информация о цвете каждого видеопикселя в виде комбинации битов. Бит – наименьший элемент памяти компьютера, который может принимать одон или двух значений: включено или выключено. Наиболее простой тип изображения имеет только два цвета. В этом случае каждому видеопикселю соответствует один бит памяти (2^1). Если цвет видеопикселя определяется двумя битами, то мы имеем четыре (2^2) возможных комбинаций значений включено/выключено. Используя для значения выключено символ 0, а для включено – 1, эти комбинации можно записать так: 00, 01, 10, 11. Четыре бита памяти позволяют закодировать 16 (2^4) цветов, восемь бит – 2^8 или 256 цветов, 24 бита – 2^24 или 16777216 различных цветовых оттенков

    Простые растровые картинки занимают небольшой объем памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества часто требуют несколько мегабайт. Например, если размер графической сетки – 1240*1024, а количество используемых цветов – 16777216, то объем растрового файла составляет около 4 Мб, так как информация о цвете видеопикселей в файле занимает

    1240*1024*24=30474240 бит или

    30474240 бит/8=3809280 байт или

    3809280 байт/1024=3720 Кб или

    3720 Кб/1024=3,63 Мб.

      Таким образом, для хранения растровых  изображений требуется большой объем памяти.

      Самым простым решением проблемы хранения растровых изображений является увеличение емкости запоминающих устройств  компьютера. Современные жесткие  и оптические диски предоставляют  значительные объемы памяти для данных. Оборотной стороной этого решения является стоимость, хотя цены на эти запоминающие устройства в последнее время заметно снижаются.

      Другой  способ решения проблемы заключается  в сжатии графических файлов, т.е. использовании программ, уменьшающих размеры файлов растровой графики за счет изменения способа организации данных. Существует несколько способов сжатия графических данных. В простейшем из них последовательность повторяющихся величин (в нашем случае – набор бит для представления видеопикселей) заменяется парой – единственной величиной и количеством ее повторений.

      Такой метод сжатия лучше всего работает с изображениями, которые содержат большие области однотонной закраски, но намного хуже с его помощью  сжимаются фотографии, так как  в них почти нет длинных строк из одинаковых пикселей. Сильно насыщенные узорами изображения хорошо сжимаются методом LZW. Объединенная группа экспертов по фотографии предложила метод JPEG для сжатия изображений фотографического качества.

2. Растровое изображение после масштабирования или вращения может

Потерять  свою привлекательность. Например, области  однотонной закраски могут приобрести странный  узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожиданно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечетким и ступенчатым (рис. 4), а закрашенные области могут быть искажены. Причина в том, что изменение размеров растрового изображения производится одним из двух способов:

• все пиксели рисунка одинаково изменяют свой размер (одновременно становятся больше или меньше);
• пиксели добавляются или удаляются из рисунка (это называется выборкой пикселей в изображении)

     При первом способе масштабирования  изображения не меняет количество элементов (видеопикселей или точек), необходимых для построения отдельного пикселя (рис. 5), и при увеличении рисунка “ступенчатость” становится все более заметной – каждая точка превращается в квадратик.

     Выборка же растрового изображения может  быть сделана двумя способами. Во-первых, можно просто продублировать или удалить необходимое число пикселей. Во-вторых, с помощью определенных вычислений программа может создать пиксели другого цвета, определяемого первоначальным пикселем и его окружением. При этом возможно исчезновение из рисунка мелких деталей и тонких линий, появление “муарового” узора или уменьшение резкости изображения (размытие).

     Так как графический редактор Paint (стандартная программа WINDOWS) является растровым, то в нем легко продемонстрировать результаты масштабирования изображений и объяснить причины возникающих искажений.

     Итак, растровые изображения имеют  очень ограниченные возможности  при масштабировании, вращении и  других преобразованиях. 

1.2. Векторная графика

      В векторной графике изображения строятся из простых объектов – прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей) и т.п., называемых примитивами. Из простых векторных объектов создаются различные рисунки

      Комбинируя  векторные объекты – примитивы и используя закраску различными цветами, можно получить и более интересные иллюстрации (рис. 7).

      В трехмерной компьютерной графике могут  использоваться “пространственные” примитивы – куб, сфера и т.п.

      Векторные примитивы задаются с помощью описаний. Например:

      рисовать линию от точки A до точки B;

      рисовать  эллипс, ограниченный заданным прямоугольником.