Растровая и векторная графика

Растровая графика

Растровое изображение представляет из себя мозаику из очень мелких элементов — пикселей. Растровый рисунок похож на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена определённым 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. Таким образом каждому пикселю присваивается цвет. Этот цвет закрепляется за определённым 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 (Рис. 1.) 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.

Рис. 1. Растровое изображение (вверху увеличенный глаз)

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 (растр) из фиксированного числа строк и столбцов. Размер графической сетки обычно представляется в форме NxM , где N — количество видеопикселей по горизонтали, а М — по вертикали. На современных дисплеях используются, например, такие размеры графической сетки: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768, 1240 х 1024 и др. Изображение на экране дисплея создается путем избирательной засветки электронным лучом определенных видеопикселей 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.

 

Рис. 2. Растровое изображение, полученное с помощью цифровой фотокамеры

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 одно из двух значений: включено или выключено. Наиболее простой тип изображения имеет только два цвета (например, белый и чёрный). В этом случае каждому видеопикселю соответствует один бит памяти (2¹). Если цвет видеопикселя определяется двумя битами, то мы имеем четыре (2²) возможных комбинаций значенийвключено /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 (2⁴) цветов, восемь бит — 2⁸ или 256 цветов, 24 бита — 2²⁴ или 16777216 различных цветовых оттенков.

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

1240 х 1024 х 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 объём памяти.

Самым простым решением проблемы хранения растровых изображений  является увеличение ёмкости запоминающих устройств компьютера. Современные  жесткие и оптические диски предоставляют  значительные объёмы 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 её повторений. На рис. 3 показано, как подобным образом может быть сжата одна строка чёрно-белого растрового рисунка.

Рис. 3. Сжатие последовательности пикселей

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 LZ W (назван так по первым буквам фамилий его разработчиков — Lempel , Ziv и Welch ). Объединённая группа экспертов по фотографии ( Joint Photographic Experts Group ) 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 («муаровый») узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожи -

данно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечётким 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 масштабирование  изображения не меняет количество входящих в него пикселей, но изменяется количество элементов ( видеопикселей или точек), необходимых для построения отдельного пикселя (рис. 5), и при увеличении рисунка «ступенчатость» становится всё более заметной — каждая точка превращается в квадратик.

Рис. 4. Эффект, появляющийся при уменьшении, а затем увеличении растрового изображения (рисунок получен в графическом редакторе Paint)

Исходное изображение	Увеличенное изображение

Рис. 5. При изменении размеров изображения количество входящих в него пикселей не меняется

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.

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 (рис. 6).

Рис. 6. Векторные изображения, созданные путем комбинации окружностей, прямоугольников, прямых и кривых линий

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

Рис. 7. Рисунок, составленный из векторных примитивов

В трёхмерной компьютерной графике могут использоваться «пространственные» примитивы — куб, сфера и т. п.

Векторные примитивы задаются с помощью описаний. Например:

рисовать  линию от точки А до точки В;

рисовать  эллипс, ограниченный заданным прямоугольником.

Для компьютера подобные описания представляются в виде команд, каждая из которых определяет некоторую  функцию и соответствующие ей параметры. Символические команды  для приведённых выше примеров описаний в векторном формате WMF (Windows Metafile) записываются так:

MOVETO XI , Y1	Установить текущую позицию (XI , Y 1).
LINETO X2, Y2	Нарисовать линию от текущей  позиции до позиции (X 2, Y 2).
ELLIPSE X3 , Y3 , X4, Y4	Нарисовать эллипс, ограниченный прямоугольником, где (ХЗ, Y3) — координаты левого верхнего, а (Х4, Y4) — правого нижнего угла этого прямоугольника.

Информация о цвете  объекта сохраняется как часть  его описания, т. е. в виде векторной  команды (сравните: для растровых  изображений хранится информация о  цвете каждого видеопикселя ).

Векторные команды сообщают устройству вывода о том, что необходимо нарисовать объект, используя максимально возможное число элементов (видеопикселей или точек). Чем больше элементов используется устройством вывода для создания объекта, тем лучше этот объект выглядит.

Кто же составляет последовательность векторных команд?

Для получения векторных  изображений, как правило, используются программы иллюстративной графики (CorelDraw, Adobe Illustrator, Macromedia Freehand), которые широко применяются в области дизайна, технического рисования, а также для оформительских работ. Эти векторные программы предоставляют в распоряжение пользователя набор инструментов и команд, с помощью которых создаются рисунки. Одновременно с процессом рисования специальное программное обеспечение формирует векторные команды, соответствующие объектам, из которых строится рисунок.

Вероятнее всего, что пользователь такой программы никогда не увидит векторных команд. Однако знания о  том, как описываются векторные  рисунки, помогают понять достоинства  и недостатки векторной графики.

Файлы векторной графики  могут содержать растровые изображения  в качестве одного из типов объектов (рис. 8).

Рис. 8. Фотография, вставленная в документ векторного редактора

Большинство векторных программ позволяют только разместить растровый рисунок в векторной иллюстрации, изменить его размер, выполнить перемещение и поворот, обрезку, однако изменить в нём отдельные пиксели невозможно. Дело в том, что векторные изображения состоят из отдельных объектов, с которыми можно работать порознь. С растровыми же изображениями так поступать нельзя, так как пиксели нельзя классифицировать подобным образом (объектом здесь является весь растровый фрагмент в целом). Пиксель же обладает одним свойством — цветом. Поэтому в некоторых векторных редакторах к растровым объектам допускается применять специальные эффекты размытия и резкости, в основе которых лежит изменение цветов соседних пикселей.

Достоинства векторной  графики

1. Векторные рисунки, состоящие из тысяч примитивов, занимают память, объём которой не превышает нескольких сотен килобайт. Аналогичный растровый рисунок требует памяти в 10-1000 раз больше. Таким образом, векторные изображения занимают относительно небольшой объём памяти.

2. Векторные объекты задаются с помощью описаний. Поэтому, чтобы изменить размер векторного рисунка, нужно исправить его описание. Например, для увеличения или уменьшения эллипса достаточно изменить координаты левого верхнего и правого нижнего угла прямоугольника, ограничивающего этот эллипс. И снова для рисования объекта будет использоваться максимально возможное число элементов (видеопикселей или точек). Следовательно, векторные изображения могут быть легко масштабированы без потери качества.