mozok.click » Інформатика » Основные понятия компьютерной графики
Інформація про новину
  • Переглядів: 2071
  • Автор: admin
  • Дата: 2-10-2017, 16:40
2-10-2017, 16:40

Основные понятия компьютерной графики

Категорія: Інформатика

С развитием информационных технологий компьютерная графика получила распространение во всем мире. Сегодня она используется в различных сферах человеческой деятельности: в производстве, науке, медицине, рекламе и пр. В частности, всем хорошо известны достижения компьютерной графики в создании спецэффектов для фильмов, компьютерных игр и т. п.

Компьютерная графика — это раздел информатики, в котором изучаются методы создания и обработки изображений с помощью компьютера.

Вы знаете, что данные, обрабатываемые с помощью компьютера, кодируются с помощью цифр. Но как закодировать изображение?

Рассмотрим два способа кодирования изображения: растровый и векторный, которые определяют особенности растровой и векторной графики.

Растровые изображения

Если присмотреться к изображению на экране монитора, можно заметить, что оно состоит из отдельных точек — пикселей (от англ. picture element — элемент рисунка). Пиксель является наименьшим элементом изображения.

Если на листе в клетку мы изобразим цветок путем закрашивания отдельных клеток определенным цветом, то получим рисунок, подобный рис. 7.1.

Растровое изображение — это изображение, представляющее собой набор пикселей, каждый из которых имеет определенный цвет.

Растровое изображение напоминает таблицу из пикселей. Размеры растрового изображения обычно задают как количество пикселей по горизонтали и вертикали, например: 100 х 100, 1200 х 800.



Чтобы закодировать двухцветное (например, черно-белое) изображение, достаточно цвет каждого пикселя обозначить числами 0 (первый цвет) и 1 (второй цвет).

Таким образом, для кодирования цвета пикселя двухцветного изображения достаточно 1 бита. О таком изображении говорят, что оно имеет глубину цвета 1 бит.

Глубина цвета — это количество битов, используемых для кодирования определенного цвета пикселя растрового изображения.

Рассмотрим изображение домика, состоящее из пикселей восьми цветов (рис. 7.2). Для кодирования восьми цветов достаточно чисел от 0 до 7, которые можно представить двоичными последовательностями длиной 3 бита.

Значит, глубина цвета такого изображения 3 бита.

Построим таблицу десятичных и двоичных кодов данных цветов:

Теперь мы можем закодировать изображение домика последовательностью чисел — кодами цветов пикселей, перечисленными слева направо ряд за рядом: 7, 7, 7, 7, 7, 3, 3, 7, 7, 7 и т. д. Для правильного воспроизведения закодированного изображения необходимо также знать его размеры, например 35 строк по 32 пикселя. Таким образом, длина двоичного кода данного изображения составит: 35 х 32 х 3=3360 (битов) или 3360 : 8 = 420 (байтов).

При глубине цвета 8 битов (или 1 байт) можно закодировать 28 = 256 различных цветов, а при глубине цвета 16 битов (или 2 байта) — 216, т. е. 65 536 цветов. Однако для достижения фотографического качества нужна большая глубина цвета — 24 бита (224 = 16 777 216 цветов).

Приходим к выводу, что в файле растрового изображения сохраняются размеры изображения и коды цветов всех его пикселей.

С увеличением количества цветов глубина цвета возрастает, что при одинаковом количестве пикселей изображения приводит к увеличению объема файла.


Свойства растровых изображений

К основным свойствам растрового изображения относятся разрешение, количество пикселей по горизонтали и вертикали (размеры), количество возможных цветов.

Разрешение изображения — величина, показывающая, сколько пикселей изображения приходится на единицу длины.

Разрешение изображения чаще всего измеряют в точках на дюйм (dpi — dots per inch). При одинаковых геометрических размерах изображения его качество зависит от разрешения. Ведь чем больше пикселей приходится на единицу длины, тем больше отдельных деталей можно изобразить. Поскольку понятие разрешения применимо к различным объектам, нужно различать разрешение цифрового изображения, разрешение монитора, разрешающую способность принтера.

Чем выше требования к качеству изображения, тем выше должно быть разрешение при одинаковых геометрических размерах изображения.

Рассмотрим рисунки одинаковых геометрических размеров, которые имеют разное разрешение: 96, 48, 24 пикселя на дюйм (рис. 7.3). Как видим, чем больше пикселей приходится на единицу длины, тем выше качество изображения.

Для работы с растровыми изображениями разработано множество программ, отличающихся набором средств для редактирования рисунков.

Для новичков — Paint, KolourPaint, для профессионалов — Adobe Photoshop, GIMP и др.

У растровых изображений есть как преимущества, так и недостатки (рис. 7.4).

На рис. 7.5 проиллюстрировано, как качество изображения (а), выполненного в растровом графическом редакторе, ухудшилось в результате последовательного уменьшения (б) и увеличения (в) в 10 раз.

Векторные изображения и их свойства

Если растровая графика описывает изображения с помощью пикселей, то в векторной графике базовым элементом является линия.

Векторное изображение — это изображение, состоящее из графических примитивов — геометрических объектов (линий, окружностей, кривых и т. п.), описываемых математическими уравнениями.

В файле с векторным изображением хранятся данные о примитивах, необходимые для их воспроизведения. Благодаря такой форме хранения графических данных файлы имеют сравнительно небольшой объем, а отдельные примитивы и изображения в целом легко поддаются масштабированию, изменению формы и т. п.

При кодировании векторного изображения для каждого примитива описывают (рис. 7.6):

1 — контур — линию, определяющую его форму.

Контур становится видимым только при его редактировании (см. далее);

2 — обводку — вид линии, которой обведен контур;

3 — заливку внутренних областей контура.

Изображение домика состоит из пяти прямоугольников, треугольника и полукруга (рис. 7.7). Опишем свойства объекта «дверь»: контур — прямоугольный; ширина — 0,68 см, высота— 1,05 см; цвет обводки — 2, толщина обводки — 0,8 мм; заливка (цвет) — 4.

Для работы с векторными изображениями предназначены Inkscape, CorelDRAW, Adobe Illustrator и многие другие программы.

Свойства векторных изображений

Размер файла с векторным изображением прежде всего зависит от общего количества объектов, из которых это изображение состоит.

Основным преимуществом векторной графики является возможность произвольно масштабировать и поворачивать изображение без потери качества.

При формировании векторного изображения вместо сплошных цветов можно использовать градиенты, то есть плавные переходы от одного цвета к другому. Реалистичности изображению также придает размывание отдельных элементов, имитация тени и т. п.

Сравним особенности растрового и векторного изображений (рис. 7.8).

Цветовые модели

Цветное изображение на экране монитора формируется путем смешивания трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Свет таких цветов излучают, например, зерна люминофора — вещества, свечение которого создает изображение. Если расположенные рядом зерна не светятся, мы видим черный цвет, а если светятся на полную яркость — белый. Изменяя яркость отдельных зерен, получаем другие цвета.

В компьютерной графике есть разные способы разложения цветов на основе определенных свойств цвета или, как говорят, различные цветовые модели.

Цветовая модель — система кодирования цветов, используемая для хранения, вывода на экран и печати изображения.

Рассмотрим три наиболее распространенные цветовые модели RGB, CMYK и HSB, а также принципы кодирования в них цвета.

В модели RGB цвета получают путем смешивания трех базовых цветов (рис. 7.9): красного (англ. Red), зеленого (Green) и синего (Blue).

Яркость каждого из них кодируется целым числом в пределах от 0 (цвет отсутствует) до 255 (наибольшая яркость). Таким образом, получаем 256 х 256 х 256 = 16 777 216 различных цветов.

В модели CMYK цвет получают смешиванием четырех составляющих: голубой (Cyan), пурпурной (Magenta), желтой (Yellow) и черной (blacK).

Уровень каждой составляющей кодируется числом от 0 до 100. При этом нулевое значение всех составляющих дает белый цвет, а значение 100 — черный. Данную модель применяют для подготовки изображений к цветной печати. Исключая из белого цвета базовые цвета модели RGB, получают три первые составляющие: голубой = белый - красный, пурпурный = белый - зеленый, желтый = белый - синий (рис. 7.10).

Прежде для печати использовали модель CMY и соответственно голубые, пурпурные и желтые чернила. Смешивая эти чернила в равных пропорциях, получали черный цвет и оттенки серого. Получить чистый черный цвет таким образом нельзя, поэтому его добавили отдельно. В модели HSB целыми числами кодируются следующие характеристики цвета: оттенок (цветовой тон)

(Hue), насыщенность (Saturation) и яркость (Brightness)

(рис. 7.11) В данной модели фактически любой цвет получают добавлением к цветовому тону определенного процента белого и черного цветов. Считается, что эта модель основана на особенностях восприятия цвета человеком.

Форматы файлов растровых и векторных изображений

Как вам известно, формат файла — это набор правил записи данных в нем. Формат графического файла определяет способ кодирования данных изображения (растровый или векторный), а также алгоритм сжатия. Сжатие зачастую применяется к растровым изображениям, поскольку они имеют сравнительно большой объем.

Рассмотрим некоторые форматы графических файлов.

BMP — формат используется для хранения растровых изображений без сжатия, поэтому файлы в основном имеют большой объем. Поддерживает глубину цвета до 64 бит.


PNG — формат используется для хранения растровых изображений со сжатием без потери качества. Его палитра поддерживает от 256 до 248 (глубина цвета 48 бит) цветов, а также прозрачность. Цвет изображения воспроизводится одинаково на любом компьютере.

JPG — формат используется для хранения растровых изображений со сжатием за счет потери качества: меньше файл — ниже качество. Воспроизвести первоначальный вид изображения после сохранения невозможно. Благодаря

сравнительно небольшим размерам файлов данный формат применяется для хранения цифровых фотографий, рисунков на веб-страницах и т. п.

GIF — формат используется преимущественно для сжатия растровых изображений, содержащих в основном одноцветные области (логотипы, надписи, схемы). Поддерживает палитру всего лишь из 256 выбранных цветов, однако позволяет сохранять прозрачность отдельных областей изображения и анимацию.

SVG — формат используется многими программами, в том числе векторным графическим редактором Inkscape. Файл может содержать графические примитивы, растровые рисунки, текст, анимацию, интерактивные элементы.

CGM, WMF, EPS поддерживают и векторную, и растровую графику.

Популярные векторные графические редакторы имеют собственные форматы файлов: CorelDRAW — формат CDR, Adobe Illustrator — формат AI.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается растровый способ кодирования изображения?

2. Каковы преимущества и недостатки растрового изображения?

3. Объясните суть векторного способа кодирования изображения.

4. Каковы преимущества и недостатки векторного изображения?

5. Опишите особенности рассмотренных цветовых моделей.

6. Что следует описать для каждого примитива при векторном способе кодирования?

7. Назовите наиболее распространенные форматы растровых изображений. Упражнение 7

1. Сколько байтов необходимо для хранения растрового изображения размерами 200 х 100 пикселей, если цвет кодируется 4 битами?

2. Сколько байтов необходимо для двоичного кодирования 16-цветного растрового изображения размерами 200 х 150 пикселей?

3. Ярлык на рабочем столе — это растровое изображение размером 30 х 20 пикселей. Сколько байтов нужно для двоичного кодирования, если в нем используется палитра из 256 цветов?

4. Определите двоичный код, с помощью которого хранится информация о фрагменте растрового изображения из 6 пикселей при глубине цвета 3 бита.

Компьютерное тестирование

Выполните тестовое задание 7 с автоматической проверкой на сайте interactive.ranok.com.ua.

 

Это материал из учебника Информатика 9 класс Бондаренко

 






^