Графическая информация и средства ее обработки

     Динамический  диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания т (для оригиналов, рассматриваемых «на просвет», например слайдов) или коэффициенту отражения р (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков)

     Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диапазона  составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов  присутствует в изображении и  тем лучше качество его восприятия.

     Связь между параметрами изображения  и размером файла. Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего промотра (стандартный размер 10x15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт.

     Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию. Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек.

     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.

     Аппаратные  средства получения  растровых изображений

     К аппаратным средствам получения  цифровых растровых оригиналов в  основном относятся сканеры и  цифровые фотокамеры. Другие устройства, например цифровые видеокамеры, адаптеры захвата телевизионных кадров, в компьютерной графике играют чаще вспомогательную роль. Для создания изображений «от руки» предназначены графические планшеты, на которых рисуют специальным электронным пером.

     Сканеры по способу восприятия изображения  делятся на две группы: устройства с электронными фотоумножителями (ФЭУ) и устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС, английская аббревиатура CCD). Сканеры с фотоумножителями называют барабанными — внутри аппарата помещен прозрачный барабан, на который крепится оригинал (отражающий или просветный). Затем барабан начинает вращаться с большой скоростью. Сканирующая головка имеет мощный источник света с фокусированным лучом и ФЭУ, которые движутся вдоль продольной оси барабана. Отраженный или проходящий световой поток попадает на ФЭУ (обычно имеется по одному ФЭУ на каждый канал) через прецизионную зеркальную систему развертки. Накопленный ФЭУ заряд преобразуется в цифровое значение аналого-цифровым преобразователем высокой разрядности. Так как процесс до этого момента по сути аналоговый, удается добиться очень высоких значений динамического диапазона. То есть, оригинал правильно оцифровывается и в светлых, и в темных участках. Выходное разрешение оригинала достигает 5000-6000 точек на дюйм. За совершенное качество приходится платить — барабанные сканеры чрезвычайно дорогостоящи и требовательны к условиям эксплуатации.

     Прочие  сканеры относятся к устройствам  на ПЗС. В отличие от ФЭУ, приборы с зарядовой связью представляют собой фотоприемник, выполненный на кремниевых элементах, объединенных в линейку. Каждый светочувствительный элемент обладает способностью накапливать заряды пропорционально числу попавших на него фотонов. За время экспозиции возникает матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. По вертикали развертка осуществляется передвижением либо всей линейки ПЗС с помощью шагового электродвигателя, либо перемещением оригинала. Разрешающая способность определяется числом оптических элементов на единицу длины. В устройствах бытового класса это 300-600 элементов на дюйм, профессионального — 1200-3000. Программная интерполяция оптического разрешения никакого реального повышения качества оцифровки не дает. Динамический диапазон устройств на ПЗС ниже, чем у ФЭУ, потому что кремниевые элементы имеют худшее соотношение сигнал/шум.

     В высокоточных сканерах на ПЗС дополнительно  применяются: система зеркальной развертки  по обоим координатам с компенсацией искажений по краям оригинала, несколько линеек ПЗС, стабильные по цветовой температуре осветительные лампы, многоразрядные цифро-аналоговые преобразователи, элементы, выполненные на СМ05-пластинах. Такие устройства по качеству оцифровки приближаются к барабанным сканерам, а по стоимости значительно доступнее.

     Конструктивно барабанные сканеры выполняют с  вертикальным или горизонтальным барабаном, съемным или несъемным. Сканеры  на ПЗС бывают листовые, планшетные, проекционные, ручные и так называемые слайдовые (для сканирования оригиналов «на просвет»).

     Для целей компьютерной графики важно  не столько разрешение сканера (оно  может не превышать 300 dpi), сколько хороший динамический диапазон. Для сканирования в отраженном свете желательно иметь динамический диапазон не ниже 2, «на просвет» — не ниже 3,5.

     Основой цифровых фотокамер служит матрица ПЗС, состоящая из двумерного массива элементов. Для целей электронной публикации и непрофессионального применения достаточное число элементов на матрице около 1,5 миллионов. Полупрофессиональные камеры должны иметь разрешение матрицы не ниже 2 миллионов элементов, профессиональные аппараты — 2,5-3 миллиона. Оцифрованные с их помощью изображения можно использовать для подготовки полиграфических публикаций. Оптическая система цифровых камер профессионального класса должна обеспечивать разрешение не ниже 110-120 пар линий на дюйм.

     Графические планшеты представляют собой координатную двумерную электронную сетку, каждый элемент которой способен воспринимать и передавать ряд сигналов от электронного пера. К таковым сигналам относятся: координаты точки контакта пера с планшетом, сила нажима, угол наклона, скорость прохода (то есть время экспозиции) и ряд других. Затем за счет программного преобразования полученные данные отображаются на экране в виде линий, мазков и других художественных средств создания изображений. Обладая достаточным навыком работы с графическим планшетом, удается очень точно имитировать различную живописную технику—письмо маслом, рисунок углем, аэрографом, карандашом и т. д. 

2. Векторная графика

     Если  в растровой графике базовым  элементом изображения является точка, то в векторной графике—линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике.

     Линия — элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами {текстуры, карты) или выбранным цветом.

     Простейшая  незамкнутая линия ограничена двумя  точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами.

     Все прочие объекты векторной графики  составляются из линий. Например куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

     Средства  создания и обработки  векторной графики

     К программным средствам создания и обработки векторной графики  относятся графические редакторы (например Adobe Illustrator, Macromedia Freehand, CorelDraw) и векторизаторы (трассировщики) — специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные (например Adobe StreamLine, CorelTrace).

     Векторный редактор Adobe Illustrator является одним из общепризнанных лидеров среди программ этого класса. Его особое преимущество заключается в хорошо отлаженном взаимодействии с другими продуктами компании Adobe, прежде всего с пакетами Photoshop и PageMaker. Эти приложения выполнены в едином стиле и образуют законченный пакет.

     Векторный редактор Macromedia Freehand с простым и дружественным интерфейсом служит удобным инструментом работы для начинающих. Программа отличается небольшим размером и хорошим быстродействием. Нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать на компьютерах среднего уровня. Инструментальные средства программы достаточны для разработки сложных документов и лишь в некоторых элементах уступают более мощным средствам Adobe Illustrator и CorelDraw. Пакет специально адаптирован для совместной работы с программой компьютерной верстки QuarkXPress.

     Векторный редактор CorelDraw исторически, особенно в России, считается основным пакетом создания и обработки векторной графики на платформе Windows. К его преимуществам относятся развитая система управления и обширные средства настройки параметров инструментов. По возможностям создания самых сложных художественных композиций CorelDraw заметно превосходит конкурентов. Однако интерфейс программы сложен для освоения.

     Трассировщик Adobe StreamLine по праву занимает ведущее место в своем классе программ. Хотя имеются более мощные пакеты, ориентированные на обработку чертежей, они очень требовательны к аппаратным ресурсам, да и по стоимости много дороже. StreamLine позволяет проводить тонкую настройку параметров векторизации, что улучшает ее точность. Более всего векторизация удобна для преобразования чертежей, черно-белых рисунков и другой простой графики без полутонов. Полутоновые и цветные изображения обрабатываются хуже, и результат требует значительной доработки для приближения к оригиналу.

     Основным  объектом векторной графики является линия. При этом прямая линия рассматривается как частный случай кривой. Иногда вместо понятия линии используется понятие контур. Этот термин более полно отражает суть, поскольку контур может иметь любую форму — прямой, кривой, ломаной линии, фигуры.

     Каждый  контур имеет две или более  опорных точек, также именуемых узлами. Элемент контура, заключенный между двумя смежными опорными точками, называют сегментом контура. Форму контура меняют перемещением опорных точек, изменением их свойств, добавлением новых и удалением имеющихся узлов. Контур может быть открытым или замкнутым — когда последняя опорная точка одновременно является и первой. Свойства замкнутых и открытых контуров различны.

     Контур  является элементарным графическим  объектом. Из контуров создают новые объекты или их группы. С несколькими контурами выполняют операции группировки, комбинирования, объединения. В результате образуются соответственно: группа объектов, составной контур, новый контур. После операции группировки каждый контур сохраняет свои свойства и принадлежащие ему узлы. После операции комбинирования составной контур приобретает новые свойства, но узлы остаются прежними. После операции объединения образуются новые узлы и меняются свойства исходных контуров. Параметры обводки контура определяют его вид при отображении. К ним относятся: