Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Комп'ютерна графіка - спеціальна область інформатики, що вивчає методи і способи створення і обробки зображень за допомогою програмно апаратних обчислювальних комплексів.
Вона охоплює всі види і форми представлення зображень, доступних для сприйняття людини або на екрані монітора, або у вигляді копії на зовнішньому носії.
Залежно від способу формування зображень комп'ютерну графіку прийнято поділяти: на растрову, векторну і фрактальну.
Окремим предметом вважається тривимірна графіка (3D) - графіка, що вивчає прийоми і методи побудови об'ємних моделей об'єктів у віртуальному просторі. Як правило, в ній поєднуються векторний і растровий способи формування зображень.
Особливості колірного охоплення характеризують такі поняття, як чорно-біла і кольорова графіка.
За ступенем спеціалізації всі види комп'ютерної графіки поділяються: на інженерну графіку, наукову графіком, Web-графіку, комп'ютерну поліграфію і т.д.
Незважаючи на те що комп'ютерна графіка є лише інструментом, її структура і методи засновані на передових досягненнях фундаментальних і прикладних наук: математики, фізики, хімії, біології, статистики, програмування і безлічі інших.
3.2.1 Растрова графіка
Растрова графіка - це графіка, зображення в якій представляється у вигляді набору точок. Кожна точка називається елементом растра і її опис зберігається в спеціальних растрових файлах.
Існує декілька форматів растрових файлів, наприклад, DIB (Device-Independent Bitmap - апаратно-незалежний растровий формат), який використовується в Windows.
Зображення на екрані дисплея, на папері, отримані за допомогою матричного принтера - це растрові зображення.
Для растрових зображень, що складаються з точок, особливу важливість має поняття дозволу, що виражає кількість точок, що приходять на одиницю довжини. розрізняють:
- дозвіл екранного зображення;
- дозвіл друкованого зображення.
Дозвіл оригіналу вимірюється в точках на дюйм і залежить від вимог до якості зображення і розміру файлу, способу оцифрування або методу створення початкової ілюстрації, вибраного формату файлу та іншим параметрам. У загальному випадку діє правило: чим вище вимоги до якості, тим більша має бути дозвіл оригіналу.
Дозвіл екранного зображення. Для екранних копій зображення елементарну точку растра прийнято називати пикселом. Розмір пікселя варіюється в залежності від обраного екранного дозволу, дозволу оригіналу і масштаб.
Дозвіл друкованого зображення. Розмір точки растрового зображення як на твердій копії (папір, плівка і т.д.), так і на екрані, залежить від застосованого методу та параметрів растрування оригіналу. При раструванні на оригінал як би накладається сітка ліній, комірки якої утворюють елемент растра. Частота сітки растра вимірюється числом ліній на дюйм і називається линиатурой.
Засобами растрової графіки прийнято ілюструвати роботи, що вимагають високої точності в передачі кольорів і напівтонів. Однак розміри файлів растрових ілюстрацій стрімко ростуть зі збільшенням дозволу.
Одним з недоліків растрової графіки є так звана пикселизация зображень при їх збільшенні (якщо не прийняті спеціальні заходи). Раз в оригіналі присутня певна кількість точок, то при великому масштабі збільшується їх розмір, стають помітні елементи растру, що спотворює саму ілюстрацію.
Для протидії пикселизации прийнято:
1) заздалегідь оцифровувати оригінал з дозволом, достатнім для якісної візуалізації при масштабуванні;
2) застосовувати стохастический растр, що дозволяє зменшити ефект пикселизации в певних межах;
3) використовувати метод інтерполяції, при якому збільшення розміру ілюстрації відбувається не за рахунок масштабування точок, а шляхом додавання необхідного числа проміжних точок.
3.2.2 Векторна графіка
У векторній графіці базовим елементом зображення є лінія. Лінія описується математично як єдиний об'єкт і тому обсяг даних для відображення об'єкта засобами векторної графіки істотно менше, ніж в растровій графіці.
Лінія - елементарний об'єкт векторної графіки. Як і будь-який об'єкт, лінія володіє властивостями: формою (пряма, крива), товщиною, кольором, шрифтом (суцільна, пунктирна). Замкнені лінії набувають властивість заповнення. Охоплюється ними простір може бути заповнений іншими об'єктами (текстури, карти) або вибраним кольором.
Іноді замість поняття лінії використовується поняття контур. Цей термін більш повно відображає суть, оскільки контур може мати будь-яку форму - пряму, криву, ламаної лінії, фігури.
Найпростіша замкнута лінія або контур мають дві або більше точок, іменованих вузлами. Елемент контуру, укладений між двома суміжними опорними точками, називають сегментом контуру. Вузли також мають властивості, параметри яких впливають на форму кінця лінії і характер сполучення з іншими об'єктами.
Форму контуру змінюють переміщенням опорних точок, зміною властивостей, додаванням нових і видаленням наявних вузлів.
Контур може бути відкритим і замкнутим, коли остання опорна точка є одночасно і першою.
Контур є елементарним графічним об'єктом. З контурів створюють нові об'єкти або їх групи. З кількома контурами виконують операції угруповання, комбінування, об'єднання. В результаті утворюються, відповідно: група об'єктів, складовою контур, новий контур.
Після операції угруповання кожен контур зберігає свої властивості і його ж вузли.
Після операції комбінування складовою контур набуває нових властивостей, але вузли залишаються колишніми.
Після операції об'єднання утворюються нові вузли і змінюються властивості вихідних контурів.
Параметри обведення контуру визначають його вид при відображенні. До них відносяться: товщина лінії, колір лінії, тип лінії (суцільна, пунктирна і інші), форма кінців (зі стрілкою, закруглені і інші).
Замкнені контури мають особливу властивість - заливанням, тобто параметрами заповнення охоплюється області.
Заливка також є об'єктом і має власний набір властивостей. Розрізняють: заливку основним кольором, градієнтну заливку (заповнення двома кольорами з плавним переходом між ними), текстурну заливку (заповнення візерунком з регулярною структурою) і заливку зображенням-картою (заповнення готовим растрових зображенням, званим картою).
Математичні основи векторної графіки:
Точка - об'єкт на площині, представлений двома числами (x. Y), що вказують його положення щодо початку координат.
Пряма лінія - лінія, описувана рівнянням:
Вказавши параметри k і b. завжди можна відобразити нескінченну пряму лінію у відомій системі координат, тобто для завдання прямої достатньо двох параметрів.
Відрізок прямої відрізняється від прямої лінії тим, що для її опису потрібно ще два параметри - координати початку і кінця відрізка.
Крива другого порядку-параболи. Гіперболи, еліпси, кола, тобто всі лінії, рівняння яких містять ступеня вище другий. Крива другого порядку не має точок перегину. Прямі лінії є всього лише окремим випадком кривих другого порядку.
У загальному вигляді рівняння кривої другого порядку може виглядати як:
Таким чином, для опису нескінченної кривої другого порядку досить параметрів. При описі відрізка кривої другого порядку знадобляться ще два параметри.
Крива третього порядку, на відміну від кривих другого порядку, має можливу точку перегину, завдяки якій криві третього порядку є основою відображення природних об'єктів у векторній графіці. Прикладом кривих третього порядку є лінії вигину людського тіла.
У загальному вигляді рівняння кривої третього порядку може виглядати як:
Крива Безьє - це спрощений вид кривих третього порядку. Метод побудови кривої Безьє заснований на використанні пари дотичних, проведених до відрізка в її закінченнях. Відрізки кривих Безьє описуються вісьмома параметрами, тому працювати з ними зручніше. На форму лінії впливає кут нахилу дотичної та довжина її відрізка.
3.2.3 Фрактальна графіка
Фрактальна графіка, як і векторна, заснована на математичних обчисленнях. Однак базовим елементом фрактальної графіки є сама математична формула, тобто ніяких об'єктів в пам'яті комп'ютера не зберігається і зображення будується виключно по рівняннях.
Математичною основою фрактальної графіки є фрактальна геометрія. Тут в основу методу побудови зображень покладено принцип спадкування від так званих «батьків» геометричних властивостей об'єктів-спадкоємців.
Поняття фрактал, фрактальна геометрія та фрактальна графіка, з'явилися в кінці 70-х рр. сьогодні міцно увійшли в ужиток математиків і комп'ютерних художників. Слово фрактал утворене від латинського fractus і в перекладі означає «складається з фрагментів». Воно було запропоновано математиком Бенуа Мандельброт в 1975 р для позначення нерегулярних, але самоподібних структур, якими він займався.
Фракталом називається структура, що складається з частин, які в якомусь сенсі подібні цілому.
Одним з основних властивостей фракталів є самоподібність. Об'єкт називають самоподібним, коли збільшені частини об'єкта походять на сам об'єкт і один на одного. Перефразовуючи це визначення, можна сказати, що в найпростішому випадку невелика частина фрактала містить інформацію про все фрактале.
У центрі фрактальної фігури знаходиться її найпростіший елемент - рівносторонній трикутник, який отримав назву «фрактальний». Потім на середньому відрізку сторін будуються рівносторонні трикутники зі стороною, що дорівнює (1 / 3a) від сторони вихідного фрактального трикутника. У свою чергу, на середніх відрізках сторін отриманих трикутників, що є об'єктами-спадкоємцями першого покоління, шикуються трикутники-спадкоємці другого покоління зі стороною (1 / 9а) від сторони вихідного трикутника.
Таким чином, дрібні елементи фрактального об'єкта повторюють властивості всього об'єкта. Отриманий об'єкт носить назву «фрактальної фігури». Процес спадкування можна продовжувати до нескінченності. Таким чином, можна описати і такий графічний елемент, як пряму.
Змінюючи і комбінуючи забарвлення фрактальних фігур, можна моделювати образи живої та неживої природи (наприклад, гілки дерева або сніжинки), а також складати з отриманих фігур «фрактальную композицію».
Як було сказано раніше, фрактальна графіка так само, як векторна і тривимірна, є обчислюється. Зображення будується за рівнянням або системі рівнянь. Зі зміною коефіцієнтів рівняння можна отримати зовсім інше зображення. Ця ідея знайшла використання в комп'ютерній графіці завдяки компактності математичного апарату, необхідного для її реалізації. Так, за допомогою декількох математичних коефіцієнтів можна задати лінії і поверхні дуже складної форми.
Отже, базовим поняттям для фрактальної комп'ютерної графіки є «Фрактальний трикутник». Потім йде «Фрактальна фігура», «Фрактальний об'єкт»; «Фрактальна пряма»; «Фрактальна композиція»; «Об'єкт-батько» і «Об'єкт-спадкоємець».
Важко переоцінити можливості фрактальної комп'ютерної графіки, що дозволяє створювати абстрактні композиції, з реалізацією таких композиційних прийомів, як горизонталі і вертикалі, діагональні напрямки, симетрію і асиметрію і ін.
З точки зору машинної графіки фрактальная геометрія незамінна при генерації штучних хмар, гір, поверхні моря. Фактично завдяки фрактальної графіку знайдений спосіб ефективної реалізації складних неевклідових об'єктів, образи яких дуже схожі на природні. Геометричні фрактали на екрані комп'ютера - це візерунки, побудовані самим комп'ютером за заданою програмою. Крім фрактальної живопису існують фрактальная анімація і фрактальна музика.
Тривимірна графіка знайшла широке застосування в таких областях, як наукові розрахунки, інженерне проектування, комп'ютерне моделювання фізичних об'єктів.
У спрощеному вигляді для просторового моделювання об'єкту потрібно:
- спроектувати і створити віртуальний каркас (скелет) об'єкта, найбільш повно відповідає його реальній формі;
- спроектувати і створити віртуальні матеріали, по фізичних властивостях візуалізації, схожі на реальні;
- привласнити матеріали різним частинам поверхні об'єкту (спроектувати текстури на об'єкт);
- налаштувати фізичні параметри простору, в якому діятиме об'єкт;
- задати освітлення, гравітацію, властивості атмосфери, властивості взаємодіючих об'єктів і поверхонь.
Для створення реалістичної моделі об'єкта використовують геометричні примітиви (прямокутник, куб, куля, конус та інші) і гладкі так звані сплайнові поверхні, причому найчастіше застосовують метод Бікубічеський раціональних В-сплайнів на нерівномірній сітці.
У комп'ютерній графіці сплайном називають криву, побудовану по декількох точках, причому опис кривої задається поліномом деякій мірі.
Значний інтерес представляє створення тривимірних графічних уявлень (аппроксимаций) тіла людини як основи для проектування одягу.
Останнім часом все більшого значення набуває комп'ютерна графіка, що поєднує в собі точність опису та змісту об'єкта, і, разом з тим, вимагає невелику тривалість отримання зображення-ня.