Теоретические основы представления графических данных.

Представление компьютерных данных в графическом виде впервые было реализовано еще в середине 50-х годов 20-го века в задачах научных и военных исследований. С тех пор графический способ отображения информации стал неотъемлемым атрибутом практически всех компьютерных систем, в особенности персональных.

Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных средств вычисли­тельной техники — компьютерная графика.

Определение. Компьютерная графика — это комплекс средств и приемов автоматизации кодирования, обработки и декодирования графической информации.

Основными задачами компьютерной графики являются синтез изображений реальных или абстрактных объектов, а также анализ и обработка образов, т.е. восстановление двумерных или трехмерных объектов по их изображениям. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную.[5]⁾ Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

Особенности цветового охвата в компьютерной графике определяют такие понятия, как черно-белаяицветная графика. На специализацию в отдельных её областях указывают названия таких разделов, как инженерная гра­фика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и т.д. На стыке компьютерных, телевизионных и кино-технологий зародилась и стремительно развива­ется сравнительно новая область графики — компьютерная анимация.

Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее методы и структура (программные и аппаратные средства) базируются на самых передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук, таких как математика, физика, химия, биология, статистика, программирование и др.

Как и любые компьютерные данные, графическая информация хранится на различных носителях в виде файлов. Различают растровый и векторный форматы графичес­ких файлов, содержащих графические данные. Растровые фор­маты хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов и оттенков (фотографии, рисунки и т.п.). Векторные форматы наиболее применимы для чертежей и изображений с простыми формами и окраской.

Форматы графических данных.

В компьютерной графике используется несколько десятков различных форматов файлов для хранения изображений, но лишь часть из них стала стандартом и применяется в подавляющем большинстве графических программ. Форматы графических данных определяют способ хране­ния информации в файле (растровый или векторный), а так­же формуеёхранения, т.е. используемый алгоритм сжатия данных, применяемый для растровых графических файлов, имеющих, как правило, достаточно большой объем. Сжа­тие графических файлов отличается от их архивации программами-архиваторами (RAR, ZIP, ARJ и др.) тем, что сам ал­горитм сжатия уже включен в формат графического файла.

Некоторые форматы графических данных являются уни­версальными и могут обрабатываться большинст­вом графических редакторов, а некоторые программы, в свою очередь, используют свои собственныеформаты, позволяющие при этом создавать графические файлы меньшего размера.

Рассмотрим некоторые форматы графических данных бо­лее подробно:

§ TIFF (Tagged Image File Format) — растровый формат графических файлов, поддерживаемый всеми основными гра­фическими редакторами (расширение имени файла — tif). Отличается переносимостью между компьютерными платформами (например, IBM PC и Apple Macintosh). Включает в себя встроенный алгоритм сжатия без потерь информации. Рекомендуется для использования при обмене графическими данными между различными программными приложениями, а также при работе с издательскими и дизайнерскими системами.

§ BMP (Bit MaP image) — растро­вый графический формат, используемый операционной сис­темой Windows (расширение имени файла — bmp). Поддерживается многими графическими редакторами и рекомендуется для хранения и обмена данными между приложениями, работающими в этой операционной среде.

§ JPEG (Joint Photographic Experts Group) — раст­ровый формат графических файлов, содержащий эффектив­ный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций (расширение имени файла — jpg). Метод JPEG позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия данных и качеством изображения, уменьшая при этом объем файла в десятки раз, что, однако, приводит к необратимой частичной потере информации. Формат поддерживается программными приложениями для различных операционных систем и ис­пользуется, как правило, для размещения графических изображений на Web-страницах в Internet и в электронных публикациях.

§ GIF (Graphics Interchange Format) — растровый формат графических файлов, поддерживаемый многими приложениями для различных операционных систем (расширение имени файла — gif). Включает в себя алгоритм сжа­тия без потерь информации, позволяющий уменьшать объ­ем файла в несколько раз. Формат стандартизирован в 1987 году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов. Рекомендуется для хранения программно создаваемых графических объектов (диаграмм, графиков, рисунков типа аппликаций, изображений с прозрачным фоном и т.д.), а также для их размещения на Web-страницах в Internet и в электронных публикациях.

§ PNG (Portable Network Graphics) — сравнительно новый (1995 год) растровый формат графических файлов, аналогичный формату GIF (рас­ширение имени файла — png). Рекоменду­ется для размещения графических изображений на Web-страницах в Internet. Форматом поддерживаются три типа изображений — цветные с глубиной цвета 8 или 24 бита и черно-белые с 256 градациями оттенков серого цвета. Сжатие информации происходит практически без потерь.

§ WMF (Windows MetaFile) — век­торный формат графических файлов для Windows-приложений (расширение имени файла — wmf). Ис­пользуется для хранения коллекции графических изображе­ний Microsoft Clip Gallery. Однако, отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми и полигра­фии, и некоторые другие недостатки ограничивают его применение.

§ PCX (PC paintbrush file format) — растровый формат хранения данных программы PC Paintbrush фирмы Z-Soft (рас­ширение имени файла — pcx). Из-за ряда недостатков и ограничений в настоящее время не используется и считается устаревшим.

§ PCD (Photo CD) — растровый формат фирмы Kodak для хранения изображений высокого качества (рас­ширение имени файла — pcd). Сам формат хранения данных в файле называется Image Рас. Графический файл имеет внутреннюю структуру, обеспечивающую хранение изображений с фиксированными величинами разрешений, и потому размеры любых файлов лишь незначительно отличаются друг от друга, находясь в диапазоне 4-5 Мбайт.

§ EPS (Encapsulated PostScript) — формат описания как векторных, так и растро­вых изображений на языке PostScript фирмы Adobe (расширение имени файла — eps). Рекомендуется для создания и печати иллюстраций в настольных издательских систе­мах. Для отображения на экране векторного содержимого используется формат WMF, для растрового — формат TIFF. Но экранная копия лишь в общих чертах передаёт реальное изображение, что явля­ется существенным недостатком EPS. Действительное изображение можно уви­деть лишь с помощью специальных программ просмотра либо после преобразования исходного файла в формат PDF приложений Acrobat Reader и Acrobat Exchange.

§ CDR (CorelDRaw files) — собственный вектор­ный формат графических файлов, используемый в системе CorelDraw (расширение имени файла — cdr).

§ PSD (PhotoShop Document) — собственный растровый формат программы Adobe Photoshop (расширение имени файла — psd). Основной недостаток формата — отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации, что приводит к неизбежному росту объемов графических файлов.

§ PDF (Portable Document Format) — формат описания документов, разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла — pdf). Мощный алгоритм сжа­тия со средствами управления итоговым разрешением изображений обеспечивает компактность файлов при их достаточно высоком качестве. Формат является аппаратно-независимым, что допускает использование практически любых устройств вывода информации при работе с pdf-файлами.

Растровая графика.

Растровые изображения формируются в процессе преобразования графической инфор­мации из аналоговой формы в цифровую, например, при сканировании существующих на бумаге или фотоплен­ке рисунков и фотографий, при использовании цифровых фото- и видеокамер и т.д. Растровые изображения можно создавать и не­посредственно на компьютере, используя возможности графических редакторов.

Основным элементом растрового изображения является пиксел (Picture Element — элемент изображения).[6]⁾

Хранение каждого пиксела требует определенного числа бит памяти, которое зависит от количества цветов в изображении. В простейшем случае растровое изображение напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клетка закрашена черным или белым цветом (рис. 8.1). Легко подсчитать, какой информационный объем потребуется для хранения этого изображения размером 10 х 10 клеток. Общее количество пиксе­лов (клеток) равно 100. Так как используется всего два цвета, то для хранения каждого пиксела необходим 1 бит (0 или 1). Таким образом, требуемый информационный объем составит 100 бит или 12,5 байт.

Для растровых изображений особое значение имеет понятие разрешения, выра­жающее количество пикселов (точек), приходящихся на еди­ницу длины. При этом различают разрешения оригинала, экранного и печатного изображений:

§ Разрешение оригинала изображения измеряется в точках на дюйм (Dots Per Inch— DPI) и зависит от требований к качеству этого изображения, от метода его создания, от формата файла и его размера и т.д. В общем случае, чем выше требования к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала. Для экранной копии изображения достаточно иметь разрешение 72 dpi, для распечатки на принтере — 150-200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующее устройство — 200-300 dpi.

§ Разрешение экранного изображения. Размер пиксела экранной копии изображения может варьироваться в зависимости от разрешения оригинала, масштаба изображения и используемого графическогоэкранного разрешения, измеряемого числом пикселов по горизонтали и вертикали. Разрешение экрана может выбираться из стандартного ряда значений 640х480, 800х600, 1024х768, 1152х864, 1280х1024, 1600х1200 и т.д. в зависимости от свойств видеосистемы компьютера (монитора и графического адаптера) и настроек операционной системы. Чем выше разрешение экрана, тем меньше размер каждого пиксела и выше четкость изображения.

§ Разрешение печатного изображения. Размер элемента растрового изображения на твёрдой копии (бумага, плёнка и т.д.) зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растри­ровании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элементы растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (Lines Per Inch— lpi) и называется линиатурой.

Примечание.

Установлено эмпирическое правило, согласно которому при распечатке изображения разрешение оригиналадолжна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устрой­ства вывода. Если твердая копия будет увеличена по сравнению с ориги­налом, то эти величины следует умножать на коэффициент масштабирования. При печати изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратура и параметрами печатных материалов.Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100 lpi, для газетного произ­водства — 65-85 lpi, для книжно-журнального — 85-133 lpi, для художественных и рекламных работ — 133-300 lpi.

Качество воспроизведения графических изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D),численно рав­ным десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания (для оригиналов, рассматриваемых на просвет, например слайдов) или коэффициенту отражения (для непрозрачных оригиналов, например полиграфических отпечатков):

где — падающий световой поток, — пропу­щенный световой поток — отраженный световой поток.

Примечание.

Для пропускающих свет оптических сред динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4, а для светоотражающих поверхностей — от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полу­тонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия.

Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в пере­даче цветов и полутонов. Однако размеры файлов растровых изображений стре­мительно растут с увеличением разрешения. Например, фотоснимок размером 10х15 см, оцифрованный с разрешени­ем от 200 до 300 dpi, может иметь объем в формате TIFF с вклю­ченным режимом сжатия около 4 Мбайт, а оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает около 40 Мбайт памяти.

Растровые изображения очень чувствительны к масшта­бированию (уменьшению или увеличению). При уменьше­нии растровых изображений несколько соседних точек пре­образуются в одну, поэтому теряется различимость мелких деталей, а при их увеличении проявляется так называемый эффект пикселизации (ступенчатый эффект), когда с увеличением масштаба изображения увеличивается и размер отдельных составляющих его точек, что искажает саму иллюстрацию.

Примечание.

Для устранения пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной его визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении метода интерполяции, при котором увеличение размера иллюстрации происходит не за счет мас­штабирования имеющихся точек изображения, а путем добавления к ним необходимого числа промежуточных точек.

Векторная графика.

Векторные изображения формируются из объектов (точка, линия, окружность, треугольник, прямоугольник и пр.), которые хра­нятся в памяти компьютера в виде графических примитивов заданного цвета и описывающих их математических формул. Векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества, так как их масштабирование производится с помощью простых математических операций умножения параметров графических примитивов на соответствующие коэффициенты масштабирования. Достоинством векторной графики является то, что фай­лы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.

Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка (пиксел), то в векторной графике — линия. Она обладает такими атрибутами как форма(прямая или кривая), начертание(сплошная или пунктирная),толщина,цвет и др. Замкнутые линии приобретают свойство заполнения, т.е. охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничивается двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свои атрибуты, параметры которых влияют на форму концов линии и характер её сопряжения с другими объектами.

Отличие линий растровой и векторной графики заключается в способе выделения для них памяти. Линия в растровой графике рассматривается как совокупность точек определенного цвета, для каждой из которых выделяется отдельная ячейка памяти. В векторной же графике для описания любой линии количество требуемых ячеек памяти определяется только числом задающих эту линию параметров. При изменении атрибутов линии меняются только значения этих параметров, а количество ячеек памяти остается неизменным. На монитор векторное изображение все же выводится по точкам, экранные координаты которых перед этим вычисляются программным образом. Поэтому векторную графику ещё называют вычисляемой графикой. Такие же вычисления производятся и при выводе изображений на принтер.

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

Рассмотрим подробнее способы представления различных объектов в векторной графике:[7]⁾