Способ хранения изображения
Рассмотрим, к примеру, такой графический примитив, как окружность радиуса r. Для её построения необходимо и достаточно следующих исходных данных:
координаты центра окружности;
значение радиуса r;
цвет заполнения (если окружность не прозрачная);
цвет и толщина контура (в случае наличия контура).
Данный пример показывает основное достоинство векторной графики – описание объекта является простым и занимает мало памяти. Для описания этой же окружности средствами растровой графики потребовалось бы запомнить каждую отдельную точку изображения, что заняло бы гораздо больше памяти.
Рисунок 4.12 – Пример векторного изображения
Преимущества векторного способа описания графики над растровой графикой:
Размер, занимаемый описательной частью, не зависит от реальной величины объекта, что позволяет, используя минимальное количество информации, описать сколько угодно большой объект файлом минимального размера.
В связи с тем, что информация об объекте хранится в описательной форме, можно бесконечно увеличить графический примитив, например, дугу окружности, и она останется гладкой. С другой стороны, если кривая представлена в виде ломаной линии, увеличение покажет, что она на самом деле не кривая.
Параметры объектов хранятся и могут быть легко изменены. Также это означает что перемещение, масштабирование, вращение, заполнение и т. д. не ухудшает качества рисунка. Более того, обычно указывают размеры в аппаратно-независимых единицах (англ. device-independent unit), которые ведут к наилучшей возможной растеризации на растровых устройствах.
При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может быть задана постоянной величиной, независимо от реального контура.
а) б)
Рисунок 4.13 – Разница между векторной и растровой графикой при увеличении
а) иллюстрация, увеличенная в 8 раз как растровое изображение;
б) иллюстрация, увеличенная в 8 раз как векторное изображение.
Фундаментальные недостаткивекторной графики
Не каждый объект может быть легко изображен в векторном виде — для подобного оригинальному изображению может потребоваться очень большое количество объектов и их сложности, что негативно влияет на количество памяти, занимаемой изображением, и на время для его отображения (отрисовки).
Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного пути, как правило, нет — трассировка растра, при том что требует значительных вычислительных мощностей и времени, не всегда обеспечивает высокое качество векторного рисунка.
Преимущество векторной картинки — масштабируемость — пропадает, когда начинаем иметь дело с особо малыми разрешениями графики (например, иконки 32×32 или 16×16). Чтобы не было «грязи», картинку под такие разрешения приходится подгонять вручную.
Форматов файлов векторной графики существует намного меньше, чем растровой. Приведем примеры самых распространенных из них.
WMF (англ. Windows MetaFile - метафайл Windows) - универсальный формат для Windows-дополнений. Используется для хранения коллекции графических изображений Microsoft Clip Gallery. Основные недостатки - искажение цвета, невозможность сохранения ряда дополнительных параметров объектов.
CGM (англ. Computer Graphic Metafile - метафайл компьютерной графики) - широко использует стандартный формат векторных графических данных в сети Internet.
CDR (англ. CorelDRaw files - файлы CorelDRaw) - формат, который используется в векторном графическом редакторе Corel Draw.
AI - формат, который поддерживается векторным редактором Adobe Illustrator.
Существуют универсальные форматы графических файлов, которые одновременно поддерживают и векторные, и растровые изображения. Формат PDF (англ. Portable Document Format - портативный формат документа) разработан для работы с пакетом программ Acrobat. В этом формате могут быть сохранены изображения и векторного, и растрового формата, текст с большим количеством шрифтов, гипертекстовые ссылки и даже настройки печатающего устройства. Размеры файлов достаточно малы.
Формат EPS (англ. Encapsulated PostScript - инкапсулированный постскриптум) - формат, который поддерживается программами для разных операционных систем. Рекомендуется для печати и создания иллюстраций в настольных издательских системах. Этот формат позволяет сохранить векторный контур, который будет ограничивать растровое изображение.
Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах.
Основные инструменты векторных редакторов
Кривые Безье — позволяют создавать прямые, ломаные и гладкие кривые, проходящие через узловые точки, с определёнными касательными в этих точках;
Заливка — позволяет закрашивать ограниченные области определённым цветом или градиентом;
Текст создаётся с помощью соответствующего инструмента, а потом часто преобразуется в кривые, чтобы обеспечить независимость изображения от шрифтов, имеющихся (или отсутствующих) на компьютере, используемом для просмотра;
Набор геометрических примитивов;
Карандаш — позволяет создавать линии «от руки». При создании таких линий возникает большое количество узловых точек, от которых в дальнейшем можно избавиться с помощью «упрощения кривой».
Сравнение растровых и векторных редакторов
Векторные редакторы часто противопоставляют растровым редакторам. В действительности, их возможности часто дополняют друг друга:
Векторные редакторы обычно более пригодны для создания разметки страниц, типографики, логотипов, sharp-edged artistic иллюстраций (например, мультипликация, clip art, сложные геометрические шаблоны), технических иллюстраций, создания диаграмм и составления блок-схем.
Растровые редакторы больше подходят для обработки и ретуширования фотографий, создания фотореалистичных иллюстраций, коллажей, и создания рисунков от руки с помощью графического планшета.
В качестве примеров редакторов векторной графики можно привести CorelDRAW, Adobe Illustrator, Xara Xtreme, Adobe Fireworks, Inkscape.
Фрактальная графика
Третий тип двухмерной графики - фрактальная. Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются фракталами: треугольник Серпинского, снежинка Коха, "дракон" Хартера-Хейтуея, множество Мандельброта. Построение фрактального рисунка осуществляется по какому-то алгоритму или путём автоматической генерации изображений при помощи вычислений по конкретным формулам. Изменения значений в алгоритмах или коэффициентов в формулах приводит к модификации этих изображений. Главным преимуществом фрактальной графики есть то, что в файле фрактального изображения сохраняются только алгоритмы и формулы.
Фрактальная графика отличается тем, что никакие объекты не хранятся в её памяти. Они создаются с помощью формул и уравнений. Изменяя коэффициенты уравнения можно создать совершенно новую картину. Простейшим объектом фрактальной графики является фрактальный треугольник. Согласно заданному математическому алгоритму создаётся изображение. Новые объекты строятся, наследуя свойства родительских структур.
Рисунок 4.14 – Примеры фрактальной графики
Фракталы широко применяются в компьютерной графике для построения изображений природных объектов, таких как деревья, кусты, горные ландшафты, поверхности морей и так далее. Существует множество программ, служащих для генерации фрактальных изображений. Генератор фракталов — это компьютерная программа, генерирующая изображения фракталов. Большинство подобных программ позволяют выбрать алгоритм генерации фрактала, увеличить тот или иной фрагмент изображения, поменять цветовую гамму, редактировать некоторые топологические параметры и сохранять полученное изображение в одном из популярных графических форматов, таких как JPEG, TIFF или PNG, а также хранить параметры генерации конкретного фрактала, что позволяет повторное использование и модификацию таких фрактальных изображений.
Многие программы позволяют также вводить собственные формулы, и осуществлять дополнительный контроль, вроде фильтрации полученного изображения. Некоторые пакеты позволяют генерировать фрактальную анимацию.
Ряд графических редакторов общего назначения, например GIMP, включают фильтры или плагины для генерации фракталов.
Трёхмерная графика (3D Graphics, от англ. 3 Dimensions – 3 измерения) — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.
Рисунок 4.15 – Пример объекта, смоделированного при помощи редактора трехмерной графики
Рисунок 4.16 – Пример интерьера, смоделированного при помощи редактора трехмерной графики
Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двухмерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации. Самое широкое применение — во многих современных компьютерных играх.
Создание
Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:
моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
освещение — установка и настройка источников света;
анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.
Программные пакеты, позволяющие создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты, такие как Autodesk 3D Studio Max и Autodesk Maya.
Форматы файлов, используемые в трехмерной графике: COLLADA (формат, разработанный для обмена между 3D приложениями), SKP (формат файлов программы SketchUp, предназначенной для моделирования относительно простых трёхмерных объектов), STL (stereolithography format, стереолитография), U3D (Universal 3D file format, универсальный формат файла трёхмерной графики, использующий сжатие данных), VRML (Virtual Reality Modeling Language, стандартный формат файлов для демонстрации трёхмерной интерактивной векторной графики).
Аппаратное обеспечение
3D-сканер — устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D-модель.
Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть обработаны средствами САПР и, в дальнейшем, могут использоваться для разработки технологии изготовления (CAM) и инженерных расчётов (CAE). Для вывода 3D-моделей могут использоваться такие средства, как 3D-монитор и 3D-принтер.
Рисунок 4.17 – 3D-сканер
3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.
Рисунок 4.18 – 3D-принтер и пример напечатанного изделия