Технологии обработки графической информации

Современные компьютеры все шире применяются для построения изображений (рисунков), используемых в научных исследованиях, для наглядного представления результатов, в конструкторских разработках, тренажерах, компьютерных играх, в инженерном, издательском, рекламном деле и других областях.

Различают следующие типы компьютерной графики:

- растровая;

- векторная;

- фрактальная;

- трехмерная (3D — three‑dimensional).

По цветности различают:

- черно-белая графика;

- цветную компьютерная графика.

По областям применения:

- инженерная;

- научная;

- деловая;

- игровая (развлекательная);

- компьютерная полиграфия и т.д.

В растровой графике изображение строится как множество точек, так называемых пикселей.

Пиксель (сокращение от слов picture cell — элемент изображения) представляет собой единицу измерения разрешения экрана (монитора) или печатного изображения и соответствует отдельной светящейся точке, цветом и яркостью которой можно управлять.

Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию (увеличению или уменьшению). При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения. При увеличении – увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект.

Достоинствами растровой графики являются:

- простота и техническая реализуемость (существует развитая система внешних устройств для ввода фотографий, слайдов, рисунков, цифровых фотоаппаратов);

- фотореалистичность (можно получать живописные эффекты, создавать глубину и нерезкую размытость, акварельность и т.д.);

- способность восстанавливать старые фотографии, ретушировать фотоснимки, устранять дефекты изображения, создавать различные визуальные эффекты (тени, наплывы, туман и т.д.).

Недостатки растровой графики:

- для хранения растровых изображений требуется большой объем памяти;

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

В векторной графике базовым элементом изображения является линия и все изображения состоят из простых объектов – прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, областей однотонного или изменяющегося цвета (заполнителей), называемых примитивами.

Линия — элементарный, простейший объект векторной графики. Простейшие объекты могут объединяться в более сложные, например, плоские и объемные фигуры. Векторная графика позволяет легко увеличивать изображение или его фрагменты.

Векторная графика мало пригодна для создания художественных изображений и обычно применяется в оформительских, чертежных, проектно-конструкторских работах, системах автоматизированного проектирования и аналогичных приложениях.

Достоинством векторной графики является большая экономия дискового пространства по сравнению с растровой. Это происходит потому, что хранится не само изображение, а некоторые основные данные, используя которые это изображение можно воспроизвести. Важным преимуществом векторной графики является развитие средств интеграции изображений и текста, единый подход к ним, и как следствие, возможность создания конечного продукта.

Однако, векторная графика ограничена в получении изображения фотографического качества, а также векторные изображения иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы.

Фрактальная графика, как и векторная, также вычисляемая, но в памяти компьютера не сохраняются никакие объекты, кроме их формул. Изображение строится согласно уравнению или системе уравнений. Меняя коэффициенты (параметры) уравнений, можно получить другое изображение. Характерная особенность фрактальной графики — наследование свойств.

Трехмерная графика широко применяется в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, моделирование физических процессов и технических объектов, а также в обучающих системах и «индустрии развлечений (игр)». Для создания модели трехмерного объекта используются геометрические примитивы (куб, параллелепипед, шар, эллипсоид, конус и др.) и гладкие поверхности, описываемые кусочно-гладкими бикубическими полиномами. Вид поверхности задается сеткой расположенных в пространстве опорных точек. Участки поверхности между опорными точками — границы объекта, которые обладают различными свойствами и могут быть гладкими, шероховатыми, прозрачными, непрозрачными, зеркальными и т.п. В соответствии с этими свойствами поверхности закрашиваются тем или иным способом. Движение объектов и анимация воспроизводятся движением геометрических примитивов и опорных точек по заданным законам.

В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом и применяется в подавляющем большинстве программ.

TIFF (Tagged Image File Format). Предназначен для хранения растровых изображений высокого качества. Относится к числу широко распространенных, отличается переносимостью между платформами, обеспечен поддержкой со стороны большинства графических, верстальных, дизайнерских программ. Предусматривает широкий диапазон цветового охвата.

PSD (PhotoShop Document). Собственный формат программы Adobe Photoshop, один из наиболее мощных по возможностям хранения растровой графической информации. Основной недостаток – отсутствие эффективного алгоритма сжатия информации, что приводит к большому объему файлов.

Windows Bitmap. Формат хранения растровых изображений в операционной системе Windows (расширение *.BMP). Поддерживается всеми приложениями, работающими в этой среде.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения растровых изображений. Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Рекомендуется использовать только для электронных публикаций, так как применяемые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации.

GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизован в 1987году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов. Получил популярность в Интернете благодаря высокой степени сжатия. Ограниченные возможности по количеству цветов обусловливают его применение исключительно в электронных публикациях.

WMF (Windows MetaFile). Формат хранения векторных изображений системы Windows. Поддерживается всеми приложениями этой системы. Однако отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение.

PDF (Portable Document Format). Формат описания документов, разработанный фирмой Adobe (расширение .PDF). Позволяет обеспечить эффективное представление изображений. Формат является аппаратно-независимым, поэтому вывод изображений допустим на любых устройствах. Мощный алгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве изображений.

Для работы с графической информацией предназначены компьютерные программы - графические редакторы.

Графический редактор – это программное обеспечение ЭВМ, которое используется для создания, редактирования, хранения и вывода графических изображений.

Среди растровых редакторов очень популярен и относительно прост однооконный редактор Paint. Редактор Paint представляет собой OLE-сервер, и созданные в нем изображения можно вставлять в документы таких универсальных приложений Windows, как Ms Word, Ms Excel, Ms PowerPoint и даже в базы данных Ms Access. Для создания и редактирования изображений Paint представляет богатый набор инструментов (палитры цветов, кисть, распылитель, ластики для стирания, «карандаши», ножницы для вырезания фрагментов) и средств работы с этими инструментами. Paint позволяет создавать довольно сложные черно-белые или цветные рисунки, схемы, чертежи, хотя и не обладающие высокими художественными или инженерно-техническими качествами. В силу своей простоты и доступности Paint часто используется в качестве первой ступени при обучении и при овладении более сложными средствами компьютерной графики.

К графическим редакторам данного типа относится также популярный редактор Adobe Photoshop. Из множества средств обработки изображений следует отметить такие средства, как:

- улучшение яркости и контраста;

- повышение четкости;

- цветовая коррекция (изменение яркости и контрастности в различных цветовых каналах);

- отмывка (изменение яркости фрагментов);

- обтравка (вырезание отдельных фрагментов и их последующее улучшение с возвратом, «вклеиванием», на прежнее место);

- набивка (восстановление утраченных элементов изображения путем копирования сохранившихся фрагментов);

- растушевка (сглаживание границ);

- монтаж (компоновка изображения из фрагментов одного или нескольких изображений).

- фильтры — программные средства преобразования изображений с целью улучшения их качества или художественной выразительности. С помощью фильтров можно повысить четкость изображения, придать фотографии вид карандашного или угольного рисунка, барельефа, гравюры, мозаики, выполнить стилизацию изображения.

Для работы с векторной графикой используют редакторы Adobe Illustrator, Corel Draw.

Corel Draw позволяет создавать простые графические примитивы: прямоугольники, овалы, спирали, многоугольники. Corel Draw содержит инструменты автоматического проставления размеров для подготовки чертежей. К полученным объектам можно применить заливку в виде сплошного цвета, цветового перехода (иначе градиента), текстурной или растровой заливки. На объекты можно использовать различные эффекты: тень, прозрачность, объемное выдавливание, многократное повторение контуров, переходы между объектами. Кроме этого, можно задавать обводку объектов с помощью специальных кистей, имитирующих рисование от руки, создающих орнаменты или произвольно рассеиваемые комбинации объектов. Комбинируя эти эффекты, можно добиваться самых невероятных коллажей в программе.

Corel Draw работает с многостраничными документами, использует слои, удобно организован выбор цвета, есть функции поиска и замены объектов по различным условиям, в том числе и смена цвета из одной системы в другую.

Еще одним достоинством Corel Draw считается широкая поддержка файловых форматов, как векторных, так и растровых. Программа уверенно читает файлы Adobe Illustrator и Adobe Photoshop.

Adobe Illustrator ориентирован на работу «с нуля». Сильной стороной пакета является создание и редактирование кривых. Основной упор — работа с узлами и сегментами кривых. Геометрические фигуры, создаваемые в пакете, сразу являются кривыми и готовы к немедленному использованию, в отличие от интерактивных объектов Corel Draw.