Лекция 1

1     Виды компьютерной графики

1.1   Фрактальная графика

Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале [12].

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является математическая формула. Никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Примеры фрактальных рисунков представлены на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1 Образцы фрактальных рисунков

1.2   Растровая графика

Растровое изображение — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или точек цветов (на практике прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Для того, чтобы понять, каким образом формируется растровое изображение, рассмотрим принцип работы сканера.

В основе принципа работы сканера лежит свет, отраженный от объекта или прошедший через него (в зависимости от модели и предназначения устройства). Поступая от специального источника (обычно просто очень яркой лампы), он искажается сканируемым объектом (отражается от документа или проходит через слайд), предварительно размещенным на стекле изображением вниз. Приемник света фиксирует яркость и цвет отражения от каждой точки, преобразовывая световые импульсы в электрический сигнал.

При сканировании все изображение разбивается на элементарные участки. Например, необходимо отсканировать изображение черного круга. Разобьем это изображение на 25 частей. Свет направляется на каждый квадрат изображения и отражается от него. В зависимости от цвета объекта, свет будет полностью (белые квадраты) или частично (серые квадраты) отражаться или полностью поглощаться (черные квадраты). Если свет отражается полностью, этот участок изображения кодируется цифрой 1, черный объект (свет полностью поглощается) – цифрой 0. Если в квадрат попадает частично белый и черный участки изображения, компьютер анализирует степень заполнения квадрата определенным цветами и если площадь участка занята более чем на 50% черным цветом, то этому квадрату присваивается значение 0, в противном случае – 1. В результате формируется так называемая битовая картина (рис.1.2 в).

Рис. 1.2 Схема получения цифрового изображения

 

 


Если это изображение вывести на экран, то оно будет выглядеть следующим образом (рис.1в). Понятно, что полученная фигура имеет к кругу весьма отдаленное отношение. Для того чтобы получить все- таки круг необходимо уменьшать размер элементарного участка. Количество же этих элементарных участков на единицу длины принято называть разрешающей способностью. Обычно за единицу длины принимают дюйм, а разрешающую способность оценивают в dpi (например, 300 dpi обозначает, что сканирующее устройство разбивает участок длиной 2.54 см на 300 точек) [12].

Данный способ кодирования графической информации используется при сканировании черно- белых изображений (режим Black/White).

Если необходимо получить черное- белое изображение с градациями серого цвета (обыкновенную черно- белую фотографию), на кодирование одного пикселя (единичного участка изображения) отводится 1 байт (8 бит). С помощью одного байта можно закодировать 256 различных последовательностей. Следовательно, абсолютно белый цвет можно закодировать последовательностью из восьми единиц (11111111), а черный – из восьми нулей. Все остальные градации представляются комбинациями ноликов и единичек. Такой режим называется Gray (серый).

При сканировании цветного изображения реализуются различные технические приемы, но общий смысл заключается в следующем: на изображение направляется три цветовых потока (синий, зеленый и красный). Освещаемый объект, в зависимости от его цвета, одни лучи поглощает, другие- отражает. Доля отраженного света по каждому цветовому каналу анализируется светоприемниками и каждый цвет кодируется одним байтом. Следовательно, на каждый квадрат отводится 3 бита (24 байта), в результате чего можно закодировать около 16 млн. цветов (224). Данный режим носит название True Color. Справедливости ради следует отметить, что человеческий глаз способен различать не более 180 цветовых оттенков.

Зная размер изображения, разрешающую способность сканирующего устройства и глубину цветов, можно определить информационный объем данного изображения.

Например, отсканируем фотографию 10*15 см (для простоты расчетов примем размер фотографии равным 4*6 дюйма) с разрешение 300 dpi. При сканировании в режиме Black/White на кодирование каждой точки потребуется 1 бит (1 или 0). Умножив длину и ширину фотографии на 300, и перемножив эти два произведения, определяем, что для хранения растровой картинки требуется 2160000 бит или 270000 байт (примерно 264 Кб).

При сканировании в режиме Gray это же изображение займет уже 2160000 байт (что равно примерно 2110 Кб или 2.06 Мб). Сканирование в полноцветном 24- битовом режиме потребует для хранения уже 16.48 Мб свободного места на диске.

Разрешающая способность имеет огромное значение для растровых изображений, поэтому остановимся на этом моменте подробнее. Под разрешением обычно подразумевают:

·          разрешение оригинала;

·          разрешение экранного изображения;

·          разрешение печатного изображения.

Разрешение оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения.

Мониторы для обработки изображений с диагональю 20–21 дюйм (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024, 1600х1200, 1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22–0,25 мм.

Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.

Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – lpi) и называется линиатурой.

Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).

Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.

При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры 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.

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.

1.3   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 [12].

Comments