Основы компьютерной графики Цифровое изображение как основа компьютерной графики

Компьютерная графика – область деятельности, связанная с созданием и обработкой цифровых изображений. Вся вводимая, хранящаяся, обрабатываемая и выводимая информация представляется в них в дискретном цифровом виде, то есть с помощью цифровых кодов (чисел). ПК не может хранить и обрабатывать непрерывное реальное изображение, имеющее бесконечно большое количество элементов визуальной информации. Для этого потребуется бесконечно большой объем памяти, не говоря уже о времени загрузки и обработки такого изображения. В память ПК вводится и затем хранится модель реального изображения (цифровое изображение). Цифровое изображение – модель реального или синтезированного (созданного искусственно) изображения, хранящаяся в памяти ПК в виде комбинации кодов (цифр). Модель – это всегда упрощенное представление некого процесса или объекта, его описание. Одна из целей описания – сократить объем информации. Близость описания к исходному объекту характеризует качество модели (ее адекватность). Чем детальнее описывается реальный объект, тем лучше, качественнее модель, тем больше она ему соответствует. Вместе с тем, слишком подробное описание может стать чрезмерно громоздким, потребует больше памяти для хранения и больше времени для обработки. Поэтому всегда выбирается разумный компромисс между целями и имеющимися возможностями.

Основные виды моделей цифровых изображений

Описать изображение можно по-разному. Например, чертеж можно разложить на графические примитивы (точка, отрезок прямой, кривая, прямоугольник, окружность и т. п.) и хранить лишь описания этих объектов. В этом случае говорят о векторной модели и, соответственно, о векторном цифровом изображении. Векторная модель цифрового изображения – это список параметров, математически определяющих объекты (графические примитивы, стандартные фигуры), составляющие синтезированное изображение. Такая модель очень удобна для представления чертежей, графиков, простых рисунков (например, в стиле «анимэ»), то есть везде, где изображение легко составляется из типовых элементов. Основное ее достоинство – компактность, поскольку хранятся лишь параметры примитивов (например, для точки – ее координаты и цвет, для отрезка прямой – координаты его начала и конца, тип, толщина и цвет линии, для окружности – координаты центра и радиус и т. п.). При визуализации (преобразовании в зрительный образ на устройстве воспроизведения) все остальные точки, составляющие изображение каждого объекта, вычисляются на основании уравнений (линии, окружности и т. п.) с учетом конкретных значений, хранящихся в модели параметров. Другое достоинство векторной модели – легкость модификации. Например, чтобы изменить размер окружности, достаточно изменить в модели значение радиуса, чтобы ее переместить – изменить значения координат центра. Третье, пожалуй, самое важное свойство – качество визуализации не зависит от масштаба отображения. Масштаб любого объекта можно бесконечно увеличивать, при этом качество его отображения не изменится, поскольку оно всегда будет соответствовать качеству системы отображения (монитор, принтер). Главный недостаток векторной модели – зависимость времени визуализации от сложности и количества объектов, составляющих картину, поскольку при каждом выводе на экран производится расчет всех точек объектов. Чем сложнее изображение и больше в нем объектов, тем дольше оно рассчитывается и воспроизводится на экране. Второй существенный недостаток – невозможность адекватно описать с помощью объектов реальное изображение (например, фотографию человека). Слишком много сил придется потратить, чтобы разложить его на графические примитивы. Модель получится чрезвычайно громоздкая и неточная (представьте модель самолета из спичечных коробков!). Поэтому для реальных изображений используют другую модель – растровую, а представляемые ею изображения относят к растровой графике. Растровая модель цифрового изображения – это прямоугольная матрица геометрически одинаковых неделимых элементов, каждый из которых в закодированном виде хранит информацию о соответствующем ему участке реального или синтезированного изображения. Одинаковые неделимые элементы цифрового изображения, составляющие его растровую модель, называют пикселями (от англ. pixel – picture element, элемент изображения). Чтобы изображение выглядело естественно, а не как мозаичное панно, размеры пикселей должны быть относительно малы. Все изображения, которые вы видите на экране вашего компьютера, относятся к классу растровых и состоят из пикселей. Откройте в любом графическом редакторе, например MS Paint, какую-нибудь растровую картинку, возьмите инструмент Zoom (Масштаб) или Magnifier (Лупа, или увеличительное стекло) и максимально приблизьте ее (увеличьте масштаб). Вы увидите одинаковые по размеру квадратики, каждый из которых имеет свой цвет. Это и есть пиксели, составляющие картинку.