Реферат: Компьютерная графика

Введение

Существует два способапредставления графических изображений: растровый и векторный.Соответственно различают растровый и векторный форматы графических файлов,содержащих информацию графического изображения.

Растровые форматы хорошо подходятдля изображении со сложными гаммами цветов, оттенков и форм. Это такиеизображения, как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматыхорошо применимы для чертежей и изображении с простыми формами, тенями иокраской.

Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика,изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальномпространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способыформирования изображений.

Растроваяграфика

Наиболее просто реализовать растровоепредставление изображения. Растр, пли растровый массив (bitmap), представляетсовокупность битов, расположенных па сетчатом поле-канве. Бит может бытьвключен (единичное состояние) или выключен (пулевое состояние). Состояния битовможно использовать для представления черного или белого цветов, так что,соединив на канве несколько битов, можно создать изображение из черных и белыхточек.

Растровое изображение напоминает листклетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена черным или белым цветом,и совокупности формируя рисунок, как показано на рис. 1.

/>

Рис. 1. Растровое изображение

Основным элементом растрового изображенияявляется пиксел (pixel – Picture Element). Под этим термином часто понимают несколькоразличных понятий: отдельный элемент растрового изображения, отдельная точка наэкране монитора, отдельная точка на изображении, напечатанном принтером.Поэтому на практике эти понятия часто обозначают так:

– пиксел – отдельный элементрастрового изображения;

– видеопиксел – элемент изображения наэкране монитора;

– точка – отдельная точка,создаваемая принтером или фотонаборным автоматом.

Цвет каждого пиксела растрового изображения– черный, белый, серый или любой

из спектра – запоминается с помощьюкомбинации битов. Чем больше битов используется для этого, тем большееколичество оттенков цветов для каждого пиксела можно получить. Число битов,используемых компьютером для хранения информации о каждом пикселе, называется битовойглубиной или глубиной цвета.

Наиболее простой тип растровогоизображения состоит из пикселов, имеющих два возможных цвета – черный и белый.Для хранения такого типа пикселов требуется один бит в памяти компьютера,поэтому изображения, состоящие из пикселов такого вида, называются 1-битовымиизображениями. Для отображения большего количества цветов используется большебитов информации. Число возможных и доступных цветов или градаций серого цветакаждого пиксела равно двум в степени, равной количеству битов, отводимых длякаждого пиксела. 24 бита обеспечивают более 16 миллионов цветов. О 24-битовыхизображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами, так кактакого количества цветов более чем достаточно, чтобы отобразить всевозможныецвета, которые способен различать человеческий глаз.

Основной недостаток растровой графикисостоит в том, что каждое изображение для своего хранения требует большоеколичество памяти. Простые растровые картинки, такие как копии экранакомпьютера или черно-белые изображения, занимают до нескольких сотен килобайтовпамяти. Детализированные высококачественные рисунки, например, сделанные спомощью сканеров с высокой разрешающей способностью, занимают уже десятки мегабайтов.Для разрешения проблемы обработки объемных (и смысле затрат памяти) изображенийиспользуются два основных способа:

– увеличениепамяти компьютера;

– сжатиеизображений.

Другим недостатком растровогопредставления изображений является снижение качества изображений примасштабировании.

 Векторная графика

Векторное представление, в отличие отрастровой графики, определяет описание изображения в виде линий и фигур,возможно, с закрашенными областями, заполняемыми сплошным или градиентнымцветом. Хотя это может показаться более сложным, чем использование растровыхмассивов, но для многих видов изображений использование математических описанийявляется более простым способом.

В векторной графике для описания объектовиспользуются комбинации компьютерных команд и математических формул дляописания объектов. Это позволяет различным устройствам компьютера, таким какмонитор и принтер, при рисовании этих объектов вычислять, где необходимопомещать реальные точки.

Векторную графику часто называютобъектно-ориентированной или чертежной графикой. Имеется ряд простейшихобъектов, или примитивов, например: эллипс, прямоугольник, линия. Эти примитивыи их комбинации используются для создания более сложных изображений. Еслипосмотреть содержание файла векторной графики, обнаруживается сходство спрограммой. Он может содержать команды, похожие на слова, и данные в кодеASCII, поэтому векторный файл можно отредактировать с помощью текстовогоредактора. Приведем в условном упрощенном виде команды, описывающие окружность:

объект – окружность;

центр – 50, 70; радиус – 40;

линия: цвет – черный, толщина – 0.50;

заливка – нет.

Данный пример показывает основноедостоинство векторной графики – описание объекта является простым и занимаетмало памяти. Для описания этой же окружности средствами растровой графикипотребовалось бы запомнить каждую отдельную точку изображения, что заняло быгораздо больше памяти.

Кроме того, векторная графика в сравнениис растровой имеет следующие преимущества:

– простотамасштабирования изображения без ухудшения его качества;

– независимостьобъема памяти, требуемой для хранения изображения, от выбранной цветовоймодели.

Недостатком векторных изображений являетсяих некоторая искусственность, заключающаяся в том, что любое изображениенеобходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов.

Рассмотрим подробнее способы представления различных объектовв векторной графике.

Точка. Этот объект на плоскости представляется двумячислами (х, у), указывающими его положение относительно начала координат.

Прямая линия. Ей соответствует уравнение у = kx + Ь. Указав параметры k и b, всегда можно отобразитьбесконечную прямую линию в известной системе координат, то есть для заданияпрямой достаточно двух параметров.

Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует дляописания еще двух параметров – например, координат x и y начала и конца отрезка.

Кривая второго порядка. К этому классу кривыхотносятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии,уравнения которых содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка неимеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривыхвторого порядка.

Кривая третьего порядка. Отличие этих кривых откривых второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Напримерграфик функции у = х3 имеет точку перегиба в начале координат.Именно эта особенность позволяет сделать кривые третьего порядка основойотображения природных объектов в векторной графике. Например линии изгибачеловеческого тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второгопорядка, как и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.

Кривые Безье. Это особый, упрощенный вид кривыхтретьего порядка (см. рис. 2). Метод построения кривой Безье (Bezier) основан на использованиипары касательных, проведенных к отрезку линии в ее окончаниях. Отрезки кривыхБезье описываются восемью параметрами, поэтому работать с ними удобнее. Наформу линии влияет угол наклона касательной и длина ее отрезка. Таким образом,касательные играют роль виртуальных «рычагов», с помощью которых управляюткривой.

/>

Рис. 2. Кривая Безье

Растровая и векторная графика существуютне обособлено друг от друга. Так, векторные рисунки могут включать в себя ирастровые изображения. Кроме того, векторные и Растровые изображения могут бытьпреобразованы друг в друга – в этом случае говорят о конвертации графическихфайлов в другие форматы. Достаточно просто выполняется преобразование векторныхизображении в растровые. Не всегда осуществимо преобразование растровой графикив векторную, так как для этого растровая картинка должна содержать линии,которые могут быть идентифицированы программой конвертации (типа CorelTrace всоставе пакета CorelDraw) как векторные примитивы. Это касается, например;высококачественных фотографий, когда каждый пиксел отличается от соседних.

 Разрешающая способность

Разрешающая способность – это количествоэлементов в заданной области. Этот термин применим ко многим понятиям,например, таким как:

– разрешающаяспособность графического изображения;

– разрешающаяспособность принтера как устройства вывода;

– разрешающаяспособность мыши как устройства ввода.

Например, разрешающая способностьлазерного принтера может быть задана 300 dpi (dot per inche – точек на дюйм),что означает способность принтера напечатать на отрезке в один дюйм 300отдельных точек. В этом случае элементами изображения являются лазерные точки,а размер изображения измеряется в дюймах.

Разрешающая способность графическогоизображения измеряется в пикселах па дюйм. Отмстим, что пиксел в компьютерномфайле не имеет определенного размера, так как храпит лишь информацию о своемцвете. Физический размер пиксел приобретает при отображении па конкретномустройстве вывода, например, на мониторе или принтере.

Для экранной копии достаточно разрешения72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150–200 dpi, для выводана 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.

Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размерточки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т.д.), таки на экране зависит от примененного метода и параметров растрированияоригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий,ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числомлиний на дюйм и называется линиатура.

Разрешающая способность техническихустройств по-разному влияет на вывод векторной и растровой графики.

Так, при выводе векторного рисункаиспользуется максимальное разрешение устройства вывода. При этом команды, описывающиеизображение, сообщают устройству вывода положение и размеры какого-либообъекта, а устройство для его прорисовки использует максимально возможноеколичество точек. Таким образом, векторным объект, например, окружность,распечатанная на принтерах разного качества, имеет па листе бумаги одинаковыеположение и размеры. Однако более гладко окружность выглядит при печати папринтере с большей разрешающей способностью, так как состоит из большегоколичества точек принтера.

Значительно большее влияние разрешающаяспособность устройства вывода оказывает па вывод растрового рисунка. Если вфайле растрового изображения не определено, сколько пикселов на дюйм должносоздавать устройство вывода, то по умолчанию для каждого пиксела используетсяминимальный размер. В случае лазерного принтера минимальным элементом служитлазерная точка, в мониторе – вндеопиксел. Так как устройства вывода отличаютсяразмерами минимального элемента, который может быть ими создан, то размеррастрового изображения при выводе на различных устройствах также будетнеодинаков.

 Цветовые модели

Некоторые предметы видимы потому, чтоизлучают свет, а другие – потому, что его отражают. Когда предметы излучаютсвет, они приобретают в нашем восприятии тот цист, который видит глаз человека.Когда предметы отражают свет, то их цвет определяется цветом падающего па нихсвета и цветом, который эти объекты отражают. Излучаемый свет выходит изактивного источника, например, экрана монитора. Отраженный свет отражается от поверхностиобъекта, например, листа бумаги.

Существуют два метода описания цвета;система аддитивных и субтрактивных цветов.

Система аддитивных цветовработаетс излучаемым светом. Аддитивный цвет получается при объединении трех основныхцветов: красного, зеленого и синего (Red, Green, Blue – RGB) При смешивании ихв разных пропорциях получается соответствующий цвет. Отсутствие этих цветовпредставляет в системе черный цвет. Схематично смешение цветов показано на рис. 2,а.

/>

а) аддитивный цвет б) Субтрактивный цвет

Рис. 2. Система смешения цветов

В системе субтрактивных цветов происходитобратный процесс: какой-либо цвет получается вычитанием других цветов на общеголуча света. При этом белый цвет получается в результате отсутствия всех цветов,а присутствие всех цветов даст черный цвет. Система субтрактнвных цветовработает с отраженным цветом, например, от листа бумаги. Белая бумага отражаетвсе цвета, окрашенная – некоторые поглощает, остальные отражает.

В системе субтрактнвиых цветов основнымиявляются голубой, пурпурный и желтый цвета (Cyan, Magenta, Yellow – CMY). Ониявляются дополнительные красном)', зеленому и синему Когда эти цвета смешиваютна бумаге в равной пропорции, получается черный Цвет. Этот процесспроиллюстрирован на рис. 2 б. В связи с тем, что типографские краскине полностью поглощают свет, комбинация трех основных цветов выглядиттемно-коричневой. Поэтому для корректировки тонов и получения истинно черногоцвета в принтеры добавляют немного черной краски. Системы цветов, основанные патаком принципе четырехцветной печати, обозначают аббревиатурой CMYK (Cyan,Magenta, Yellow, blасК).

Существуют и другие системы кодированияцветов, например, представление его в виде тона, насыщенности и яркости (Hue,Saturation, Brightness – HSB).

Тон представляет собой конкретный оттенокцвета, отличный от других: красный, голубой, зеленый и т.п. Насыщенностьхарактеризует относительную интенсивность цвета.

При уменьшении, например, насыщенностикрасного цвета, он делается более пастельным или блеклым. Яркость (илиосвещенность) цвета показывает величину черного оттенка, добавляемого к цвету,что делает его более темным. Система HSB хорошо согласуется с модельювосприятия цвета человеком. Тон является эквивалентом длины волны света,насыщенность – интенсивности волны, а яркость – общего количества света.Недостатком этой системы является необходимость преобразования ее в другиесистемы; RGB – при выводе изображения на монитор; CMYK – при выводе начетырехцветный принтер.

Рассмотренные системы работают со всемспектром цветов – миллионами возможных оттенков. Однако пользователю частодостаточно не более нескольких сотен цветов. В этом случае удобно использовать индексированныепалитры – наборы цветов, содержащие фиксированное количество цветов,например, 16 или 256, из которых можно выбрать необходимый цвет. Преимуществомтаких палитр является то, что они занимают гораздо меньше памяти, чем полныесистемы RGB и CMYK.

При работе с изображением компьютерсоздает палитру и присваивает каждому цвету номер, затем при указании цветаотдельного пиксела или объекта просто запоминается номер, который имеет данныйцвет в палитре. Для запоминания числа от 1 до 16 необходимо 4 бита памяти, а от1 до 256 – 8 битов, поэтому изображения, имеющие 16 цветов называют 4-битовыми,а 256 цветов – 8-битовыми. При сравнении с 24 битами, необходимыми для храненияполного цвета в системе RGB, или с 32 битами – в системе CMYK, экономия памятиочевидна.

При работе с палитрой можно применятьлюбые цвета, например, системы RGB, но ограниченное их количество. Так, прииспользовании 256-цветовой палитры в процессе ее создания и нумерации каждыйцвет в палитре описывается как обычный 24-битовый цвет системы RGB. А приссылке на какой-либо цвет уже указывается его номер, а не конкретные данныесистемы RGB, описывающие этот цвет.

 Масштабирование изображений

Масштабирование заключается в изменениивертикального и горизонтального размеров изображения. Масштабирование можетбыть пропорциональным – в этом случае соотношение между высотой и ширинойрисунка не изменяется, а меняется общий размер, и непропорциональным – в этомслучае оба измерения изменяются по-разному.

Масштабирование векторных рисунков выполняетсяпросто и без потери качества. Так как объекты векторной графики создаются по ихописаниям, то для изменения масштаба векторного объекта, достаточно изменитьего описание. Например, чтобы увеличить в два раза векторный объект, следуетудвоить значение, описывающее его размер.

Масштабирование растровых рисунковявляется намного более сложным процессом, чем для векторной графики, и частосопровождается потерей качества. При изменении размеров растрового изображениявыполняется одно из следующих действий:

– одновременноеизменение размеров всех пикселов (в большую или меньшую сторону);

– добавлениеили убавление пикселов из рисунка для отражения производимых в нем изменении,называемое выборкой пикселов в изображении.

Простейший способ изменения масштаба растровогорисунка состоит в изменении размера всех его пикселов. Так как внутри самогорисунка пикселы не имеют размера и приобретают его уже при выводе на внешнееустройство, то изменение размера пикселов растра в сильной степени похоже намасштабирование векторных объектов – необходимо сменить только описаниепиксела, а остальное выполнит устройство вывода.

Устройство вывода для создания пикселаопределенного физического размера использует столько своих минимальныхэлементов (лазерных точек – для лазерного принтера, видеопикселов – длямонитора), сколько сможет. При масштабировании изображения количество входящихв него пикселов не меняется, а изменяется количество создаваемых устройствомвывода элементов, идущих на построение отдельного пиксела изображения. На рис. 3показан пример масштабирования растрового изображения – увеличения его в двараза по каждому измерению.

/>

Рис. 3. Масштабирование растровогоизображения

 

Выборка растрового рисунка может быть сделана двумяразличными способами.

По первому способу просто дублируется плиудаляется необходимое количество пикселов. При этом в результатемасштабирования, как правило, ухудшается качество изображения. Например, приувеличении размера рисунка возрастают его зернистость и дискретность. Приуменьшении размера рисунка потерн в качестве не столь заметны, однако припоследующем восстановлении уменьшенного рисунка до прежнего размера опятьвозрастают зернистость и дискретность. Это связано с тем, что при уменьшенииразмера рисунка часть пикселов была удалена из исходного изображения и потерянабезвозвратно, а при последующем восстановлении размеров рисунка недостающиепикселы дублировались из соседних.

По второму способу с помощью определенныхвычислений можно создать пикселы другого цвета, определяемого цветамипервоначального пиксела и его окружения. Этот метод называется интерполяцией иявляется более сложным, чем простое дублирование. При интерполяции кромедублируемых пикселов, отбираются и соседние с ними, с помощью которых вновьсоздаваемые пикселы получают от существующих усредненный цвет или оттеноксерого. В результате переходы между пикселами становятся более плавными, чтопозволяет убрать или уменьшить эффект «пилообразное» изображения.

 Сжатие изображений

Как и многая информация, графика можетбыть сжата. Это ныгодио с точки ирония экономии памяти компьютера, так как,например, высококачественные изображения, как уже говорилось, имеют размеры донескольких десятков мегабайтов. Для файлов графических изображений разработанымножество схем п алгоритмов сжатия, оспов-иыми из которых являются следующие:

– групповоесжатие;

– кодированиеметодом Хаффмана;

– сжатиепо схеме LZW;

– арифметическоесжатие:

– сжатиес потерями;

– преобразованиецветов RGB в цвета YUV.

В основе большинства схем сжатия лежитиспользование одного из следующих свойств графических данных: избыточность,предсказуемость и необязательность. В частности, групповое кодирование (RLE)основано на использовании первого свойства. Кодирование по методу Хаффмана иарифметическое кодирование, основанные на статистической модели, используютпредсказуемость, предлагая более короткие коды для более часто встречающихсяпикселов. Алгоритмы сжатия с потерями основаны на избыточности данных.

Следует учесть, что алгоритм,обеспечивающий большую степень сжатия, обычно более сложный и поэтому требуетдля распаковки данных больше процессорного времени.

Рассмотрим подробнее несколько алгоритмовсжатия.

Групповое сжатие

Групповое сжатие представляет собой однусамых простых схем сжатия файлов. Суть его заключается в том, что серияповторяющихся величин заменяется единственной величиной и ее количеством. Напримере можно заметить выгоду в длине между «aabbbbbbbcdddeeeeaaa» и «2а7b1c3d4e3a». Данныйалгоритм прост в реализации и хорошо сжимает графические файлы с большимиоднотонными областями. Групповое кодирование используется во многих форматахрастровых файлов, таких как TIFF, PCX и т.д.

Кодирование методом Хаффмана

Смысл метода Хаффмана заключается в заменеданных более эффективными кодами. Более короткие коды используются для заменыболее часто появляющихся величии. Например в выражении abbbeceddeeeeeeeeef естьшесть уникальных величин, с частотами появления: а:1, b:3, c:3, d:2, e:9, f:l.Для образования минимального кода используется двоичное дерево. Алгоритмобъединяет в пары элементы, появляющиеся наименее часто, затем параобъединяется в один элемент, а их частоты объединяются. Это действиеповторяется до тех пор, пока элементы не объединятся в пары. В данном примеренадо объединить а и f – это первая пара, а присваивается нулевая ветвь, a f – 1-я.Это означает, что 0 и 1 будут младшими битами кодов для а и f соответственно.Более старшие биты будут получены из дерена по мере его построения.

Суммирование частот дает в итоге 2. Теперьсамая низкая частота – 2, поэтому пара а и f, объединяется с d(которая тоже имеет частоту 2). Исходной паре присваиваеся нулевая ветвь, а d –ветвь 1. Таким образом, код для а заканчивается на 00; для f на 01, dзаканчивается на 1 и будет на один бит короче по сравнению с кодами для а и f.

Дерево продолжает строиться подобнымобразом так, что наименее распространенные величины описываются более длиннымикодами. Данное кодирование нуждается в точной статистике, выражающейся в том,как часто каждая величина появляется в файле. Следовательно, для работы посхеме Хаффмана необходимо два этапа – на первом этапе создастся статистическаямодель, на втором кодируются данные. Следует отметить, что компрессия идекомпрессия, по Хаффману, – достаточно медленный процесс.

Сжатие с потерями JPEG

Алгоритм сжатия JPEG (Joint Photographic Experts Group) (читается ['jei'peg]) позволяет регулироватьсоотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применяемыеметоды сжатия основаны на удалении «избыточной» информации.

Алгоритм сжатия оперирует областями 8x8 пикселей, на которыхяркость и цвет меняются сравнительно плавно. Вследствие этого, при разложенииматрицы такой области в двойной ряд по косинусам значимыми оказываются толькопервые коэффициенты. Таким образом, сжатие в JPEG осуществляется за счетплавности изменения цветов в изображении. В целом алгоритм основан падискретном косинусоидальном преобразовании, применяемом к матрице изображениядля получения некоторой повой матрицы коэффициентов. Для получения исходногоизображения применяемся обратное преобразование. Алгоритм раскладываетизображение по амплитудам некоторых частот. Таким образом, при преобразованиимы получаем матрицу, в которой многие коэффициенты либо близки, либо равнынулю. Кроме того, благодаря несовершенству человеческого зрения, можноаппроксимировать коэффициенты более грубо без заметной потери качестваизображения.

Существенными положительными сторонами алгоритма является то,что:

– Задаетсястепень сжатия.

– Выходноецветное изображение может иметь 24 бита на точку.

Отрицательными сторонами алгоритмаявляемся то, что:

– Приповышении степени сжатия изображение распадаемся на отдельные квадраты (8x8).

– Проявляетсяэффект Гиббса – ореолы по границам резких переходов цветов.

 Форматы графических файлов

В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десяткаформатов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом«де-факто» и применяется в подавляющем большинстве программ.

Краткая информация об основных графическихформатах файлов приведена в таблице.

Типыграфических файловНазвание Тип Использование Фирма Расширение BMP (Windows BitMap) Растровый Хранение и отображение информации в среде Windows. Microsoft bmp GIF (Graphics Inter-change Format) Растровый Передача данных в сети Internet CompuServe Inc. gif PNG (Portable Network Graphics) Растровый Передача данных в сети Internet CompuServe Inc. png PCX (PC Paintbrush File Format) Растровый В графических редакторах Zsoft Corp. pcx JPEG (Joint Photographic Experts Group) Растровый Для фотографической информации Joint Photographic Experts Group jpg TIFF (Tagged Image File Format) Растровый Обмен данными между настольными и издательскими системами Aldus Corp. tif DXF (Drawing Interchange Format) Векторный Обмен чертежами и данными САПР Autodesk nc. dxf CDR (Corel Drawing) Векторный Чертежная, издательская и другие виды графики Corel cdr WMF (Windows MetaFile) Векторный Хранение и отображение информации в среде Windows Microsoft wmf

Рассмотрим структуру файлов изображенийтипа BMP и TIFF, получивших наиболее широкое распространение на практике.

BMP:Windows Device Independent Bitmap

BMP (аппаратно-независимое побитовоеизображение Windows) поддерживается любыми Windows-совместимыми программами.Структура файла BMP используется Windows для хранения растровых изображений. Вэтом формате хранятся рисунки фона, пиктограммы и другие растровые изображенияWindows. Этот формат сводит к минимуму вероятность ошибок или неправильнойинтерпретации растровых данных.

Формат BMP правильно отображает данныенезависимо от аппаратных и программных устройств (монитора компьютера,видеокарты и драйвера дисплея). Такая независимость от устройств обеспечиваетсяприменением системных палитр. Однако данный формат имеет и свои недостатки.Только версии формата с 4- и 8-битовым цветом поддаются сжатию (к ним можноприменить метод сжатия RLE), следовательно, 24-битовые файлы BMP будут оченьбольшими. Кроме того, применение файлов ВМР ограничено платформой Windows.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен дляхранения растровых изображений (расширение имени файла JPG). Применяется в основномдля хранения фотографий. При большой степени сжатия на изображении появляютсяореолы из вокруг элементов с резкими переходами цвета, поэтому формат нерекомендуют использовать для хранения схем, графиков, логотипов и др.

GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован в 1987году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количествомцветов (расширение имени файла.GIF). Получил популярность в Интернете благодарявысокой степени сжатия без потери качества. Последняя версия формата GIF89a позволяет выполнятьчересстрочную загрузку изображений и создавать рисунки с прозрачным фоном.Ограниченные возможности по количеству цветов обуславливают его применениеисключительно в электронных публикациях (схемы, графики, логотипы, рекламныебаннеры и другие несложные изображения, имеющие резкие переходы в тонахизображения).

PNG (Portable Network Graphics). Сравнительно новый (1995год) формат хранения изображений дляих публикации в Интернете(расширение имени файла.PNG). Поддерживаются три типа изображений – цветные сглубиной 8 или 24 бита и черно-белое с градацией 256 оттенков серого. Сжатиеинформации происходит без потерь качества. Имеет преимущество перед GIF форматом в большейглубине цвета. При хранении фотографий PNG формат проигрывает форматуJPEG в размерах файла.

TIFF (Tagget Image FileFormat). Форматпредназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширениеимени файла JIF). Относятся к числу широко распространенных, отличаетсяпереносимостью между платформами (IBM PC и Apple Macintosh), обеспечен поддержкойсо стороны большинства графических, верстальных и дизайнерских программ. ФорматTIFF сохраняет множестводанных изображения в помеченных полях, что и определило его название («Форматфайла помеченного изображения»). Каждое помеченное поле хранит информацию орастровом рисунке или ссылку на другие поля. Программа, читающая файл, можетпропускать неизвестные или ненужные ей поля. Эта многогранность позволяетформату находить применение в различных компьютерных системах. Кроме того,формат TIFF может сохранять разнообразные дополнительные данные о растровомрисунке, включая: кривую коррекции для изображения с оттенками серого; полядетальной информации об изображении (название программы, автора, дату созданияи комментарии); размер изображения и разрешающую способность; детальнуюинформацию о цвете оригинала.

Большинство программ, читающих файл TIFF,способны без проблем прочесть файлы этого формата, созданные на другихсистемах. Структура формата TIFF изменчива, что позволяет ему хранитьразнообразные типы изображений.

Файлы данного формата способны хранитьпиксельные данные, сжатые с помощью разнообразных схем, например, кодированиемпо методу Хаффмана.

PSD (PhotoShop Document). Собственный форматпрограммы Adob Pnotoshop (расширение имени файла.PSD), один из наиболее мощных повозможностям хранения растровой графической информации. Позволяет запоминатьпараметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества масок. Поддерживаются48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели.Основной недостаток выражен в том, что отсутствие эффективного алгоритма сжатияинформации приводит к большому объему файлов.

PCX. Формат появился как формат хранения растровыхданных программы PC PaintBrush фирмы Z-Soft и является одним из наиболеераспространенных (расширение имени файла.PCX). Отсутствие возможности хранитьцветоделенные изображения, недостаточность цветовых моделей и другиеограничения привели к утрате популярности формата. В настоящее время считаетсяустаревшим.

WMF (Windows MetaFile). Формат хранения векторныхизображений операционной системы Windows (расширение имени файла.WMF). По определениюподдерживается всеми приложениями этой системы. Однако отсутствие средств дляработы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, идругие недостатки ограничивают его применение.

EPS (EncapsulatedPostScript). Форматописания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте вобласти допечатных процессов и полиграфии (расширение имени файла.EPS). Так как язык PostScript является универсальным,в файле могут одновременно храниться векторная и растровая графика, шрифты,контуры обтравки (маски), параметры калибровки оборудования, цветовые профили.Для отображения на экране векторного содержимого используется формат WMF, арастрового – TIFF.Но экранная копия лишь в общих чертах отображает реальное изображение, чтоявляется существенным недостатком EPS. Действительное изображение можно увидеть лишь на выходевыводного устройства, с помощью специальных программ просмотра или послепреобразования файла в формат PDFv приложениях Acrobat Reader, Acrobat Exchange.

PDF (Portable Document Format). Формат описаниядокументов, разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла.PDF). Хотя этот формат восновном предназначен для хранения документа целиком, его впечатляющиевозможности позволяют обеспечить эффективное представление изображений. Форматявляется аппаратно независимым, поэтому вывод изображений допустим на любыхустройствах – от экрана монитора до фотоэкспонирующего устройства. Мощныйалгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображенияобеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций.

 Основные понятия трехмернойграфики

Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях,как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделированиефизических объектов. В качестве примера рассмотрим наиболее сложный варианттрехмерного моделирования – создание подвижного изображения реальногофизического тела.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объектатребуется:

• спроектировать и создать виртуальный каркас («скелет»)объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

• спроектировать и создать виртуальные материалы, пофизическим свойствам визуализации похожие на реальные;

• присвоить материалы различным частям поверхности объекта(на профессиональном жаргоне – «спроектировать текстуры на объект»);

• настроить физические параметры пространства, в которомбудет действовать объект,

• задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы,свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

• задать траектории движения объектов;

• рассчитать результирующую последовательность кадров;

• наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационныйролик.

Для создания реалистичной модели объекта используютгеометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие,так называемые сплайновые поверхности. Вид поверхности при этом определяетсярасположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваиваетсякоэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на частьповерхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек ивеличины коэффициентов зависит форма и «гладкость» поверхности в целом.Специальный инструментарий позволяет обрабатывать примитивы, составляющиеобъект, как единое целое, с учетом их взаимодействия на основе заданнойфизической модели.

Деформация объекта обеспечивается перемещением контрольныхточек, расположенных вблизи. Каждая контрольная точка связана с близлежащимиопорными точками, степень ее влияния на них определяется удаленностью. Другойметод называют сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещаетсятрехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформациюкак самой сетки, так и окруженного объекта.

Еще одним способом построения объектов из примитивов служит твердотельноемоделирование. Объекты представлены твердыми телами, которые при взаимодействиис другими телами различными способами (объединение, вычитание, слияние идругие) претерпевают необходимую трансформацию. Например, вычитание изпрямоугольного параллелепипеда шара приведет к образованию в параллелепипедеполукруглой лунки.

После формирования «скелета» объекта необходимо покрыть егоповерхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделированиисводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициентапрозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала иокружающего пространства. Для построения поверхностей материалов используютпять основных физических моделей:

• поверхности с диффузным отражением без бликов (например,матовый пластик);

• поверхности со структурированными микронеровностями(например, металлические);

• поверхности со специальным распределением микронеровностейс учетом взаимных перекрытий (например, глянец);

• модель, позволяющая дополнительно учитывать поляризациюсвета;

• модель, позволяющая корректировать направленияотражения и параметры преломления света.

Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). Впервом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затемлинейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль кобъекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющихпримитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.

Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторонунаблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент,связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковымкомпонентам относятся:

• свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то естьпреломленный свет;

• свет, равномерно рассеиваемый поверхностью;

• зеркально отраженный свет;

• блики, то есть отраженный свет источников;

• собственное свечение поверхности.

Свойства поверхности описываются в создаваемых массивахтекстур (двух- или трехмерных). Таким образом, в массиве содержатся данные остепени прозрачности материала; коэффициенте преломления; коэффициентахсмещения компонентов (их список указан выше); цвете в каждой точке, цветеблика, его ширине и резкости; цвете рассеянного (фонового) освещения; локальныхотклонениях векторов от нормали (то есть, учитывается шероховатостьповерхности).

Следующим этапом является наложение («проектирование»)текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитыватьих взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект– задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует отисполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.

Из всех параметров пространства, в котором действуетсоздаваемый объект, с точки зрения визуализации самым важным являетсяопределение источников света. В трехмерной графике принято использоватьвиртуальные эквиваленты физических источников.

• Аналогом равномерного светового фона служит так называемый растворенныйсвет (Ambient Light). Он не имеет геометрических параметров и характеризуется толькоцветом и интенсивностью. Пример в природе – естественная освещенность вневидимости Солнца и Луны.

• Удаленный не точечный источник называемый удаленным светом(Distant Light). Ему присваиваютсяконкретные геометрические параметры (координаты). Аналог в природе – солнце.

• Точечный источник света (Point Light Source) равномерно испускаетсвет во. всех направлениях и также имеет координаты. Аналог в технике – электрическаялампочка.

• Направленный источник света (Direct Light Source) кроме местоположенияхарактеризуется направлением светового потока, углами раствора полного конусасвета и его наиболее яркого пятна. Аналог в технике – прожектор.

После завершения конструирования и визуализации объектаприступают к его «оживлению», то есть заданию параметров движения. Компьютернаяанимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется висходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре)задается новое положение объекта и так далее до конечного положения.Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этомпроисходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положенияопорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.

Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законамиих взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельнымиуглами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называютметодом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделированиимеханических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют такназываемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный вточках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущимметодом. Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированныхповерхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то естьсоздается каркасная модель. Каркасная модель визуализуется наложениемповерхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объектаполучается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.

Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксацииреальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольныхточках яркие источники света и снимают заданное движение на видео- иликинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер иприсваивают соответствующим опорным точкам каркасной модели. В результатедвижения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.

Процесс расчета реалистичных изображений называется рендерингам(визуализацией). Большинство довременных программ рендеринга основаны на методеобратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Его суть заключается вследующем.

1. Из точки наблюдения сцены посылается в пространствовиртуальный луч, по траектории которого должно прийти изображение в точкунаблюдения.

2. Для определения параметров приходящего луча все объектысцены проверяются на пересечение с траекторией наблюдения. Если пересечения непроисходит, считается, что луч попал в фон сцены и приходящая информацияопределяется только параметрами фона. Если траектория пересекается с объектом,то в точке соприкосновения рассчитывается свет, уходящий в точку наблюдения всоответствии с параметрами материала.

3. Сначала просчитывается преломленный и отраженный свет,затем проверяется видимость из точки пересечения всех источников света иинтенсивность светового потока. Также вычисляются наличие, резкость и ширинабликов от каждого источника света.

4. Полученные в результате итоговые значения цвета иинтенсивности обрабатываются с учетом траектории луча и параметров атмосферы, иприсваиваются точке объекта как значения визуализации для наблюдателя. Затем процессповторяется для всех элементов сцены. С целью упрощения расчетов пересечениепроверяют не для каждой точки, а для примитива в целом. Иногда вокруг объектасоздают простую виртуальную геометрическую фигуру (параллелепипед, шар), расчетпересечений для объекта выполняют только при пересечении траектории наблюденияс фигурой в целом.

Применение сложных математических моделей позволяетимитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман.Однакоих применение в полном объеме требует громадных вычислительныхресурсов, и потому в персональных компьютерах обычно используют упрощенныеварианты. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используютлибо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадровготового продукта.

Особую область трехмерного моделировааияв режиме реальноговремени составляют тренажеры технических средств – автомобилей, судов,летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовыватьтехнические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В болеепростых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортныхсредств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершённые на сегодняшний день устройства созданы дляобучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов.Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколькоспециализированных графических станций, построенных на мощных процессорах искоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики.