Глава 9. Основы компьютерной графики

Представление данных на мониторе компьютера впервые было реализовано в 50-х годах для больших ЭВМ. В настоящее время это неотъемлемая часть практически всех компьютерных систем.

Компьютерная графика (КГ) - это технология создания изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, отображения их на экране монитора, сохранения в файле и выводе на печать.

КГ охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком на экране монитора, либо внешнем носителе. КГ применяется практически во всех областях деятельности человека: научных исследованиях, медицине, технике, искусстве, архитектуре и т.д.

В зависимости от способа формирования изображений КГ подразделяется на растровую, векторную и фрактальную, а также трёхмерную, в которой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. В зависимости от области применения выделяют инженерную графику, научную, Web-графику, компьютерную полиграфию и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий образовалась область компьютерной графики и анимации.

Существенное место в КГ занимают развлечения. Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап развития графики и анимации.

Хотя КГ является всего лишь инструментом, её структура и методы основаны на передовых достижениях прикладных и фундаментальных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программировании и множества других. Причём, это справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений. В настоящее время КГ один из наиболее бурно развивающихся разделов информационных технологий. Практическое развитие и совершенствование КГ идёт силами большого числа специалистов самого разного профиля, сочетающих глубокую узкую специализацию с широким теоретическим кругозором, что позволяет работать на стыке различных направлений знаний и именно там находить всё новые перспективы роста.

Основными способами формирования изображений являются растровый и векторный, а все остальные это их комбинации и расширение.

9.1. Растровая графика

Данное название происходит от слова Растр, или растровый массив, который представляет совокупность битов, расположенных на сетчатом поле-канве. Бит может иметь различные состояния и представлять два цвета, а соединяя на канве биты можно получить любые изображения. Пример черно-белого растрового изображения приведён на рис. 9.1.

Рис. 9.1.

Понятно, что основным элементом такого изображения являются клетки, их размеры и цвет. Такую клетку (точку) называют пикселем (pixel). Однако под этим термином часто понимают различные элементы а именно:

• пиксел - отдельный элемент растрового изображения;

• видеопиксел - элемент изображения на экране монитора;

• точка – отдельная точка созданная принтером.

Таким образом для создания чёрно-белых изображений необходимо задать координаты каждого пикселя и его состояние (чёрный или белый).

Если необходимо создавать цветные изображения, то кроме координат пикселя на рабочем поле, ему следует присвоить цвет. Цвет запоминается с помощью комбинации битов и чем больше количество оттенков и цветов, тем больше бит нужно для их запоминания. Поэтому число битов, используемых компьютером для хранения информации о цвете каждого пикселя, называется битовой глубиной или глубиной цвета.

Наибольшая используемая глубина изображения - 24 бита, что обеспечивает более 16 миллионов цветов и оттенков. Такие изображения называют изображениями с естественными цветами, так как такое количество цветов больше, чем может различать человеческий глаз.

Очевидным недостатком растровой графики является большой объём информации необходимой для запоминания изображений, но это и её плюс, так как практически имеются неограниченные возможности по качеству и типам изображений.

Объём памяти необходимый для запоминания:

• чёрно-белых изображений (копии экрана) – сотни килобайт;

• высококачественные цветные изображения, полученные с помощью хорошего сканера – десятки мегабайт.

Для работы со значительными объёмами памяти в растровой графике есть два пути:

• увеличение памяти компьютера;

• сжатие изображений.

Другим существенным недостатком растровой графики является снижение качества изображений при масштабировании. Данный факт определяется неизбежным изменением числа пикселей при масштабировании, что приводит к изменению структуры изображения.

Для решения вопроса сжатия и масштабирования изображений разработан ряд специальных методов, некоторые принципы построения которых будут рассмотрены ниже.