Предисловие

В настоящем учебном пособии кратко излагаются основные понятия компьютерной графики. Пособие состоит из двух частей, содержащих теоретический и практический материал.

В главах 1-14 представлены теоретические сведения об аппаратном и программном обеспечении компьютерной графики и основных алгоритмах обработки растровых и векторных изображений. Подробно рассмотрены вопросы трехмерного моделирования.

1.Основные понятия компьютерной графики

Курс "Компьютерная графика" посвящен рассмотрению вопросов, связанных с цифровой обработкой изображений в самом широком смысле. Рассмотрим различные виды и области применения компьютерной графики (КГ), которые можно изобразить в виде дерева (Рис. 1 .1).

Рис. 1.1. Дерево компьютерной графики.

По способу цифрового представления все изображения делятся на две группы: векторные и растровые.

а)	б)

Рис. 1.2 - Типичное векторное (а) и растровое (б) изображения¹.

Векторные изображения состоят из базовых геометрических элементов двух видов: отрезков и дуг (Рис. 1 .3). При этом отрезок задается четырьмя числами (координатами начала x₁,y₁ и конца x₂,y₂), а дуга – шестью: координатами центра x₁,y₁, начальным  и конечным  углами и начальным R₁ и конечным R₂ радиусами. Если R₁= R₂, то дуга является сегментом окружности. При R₁ R₂ дуга является сплайном – особой кривой, свойства которой будут рассмотрены позднее.

Рис. 1.3- Базовые элементы векторных изображений.

Растровые изображения состоят из большого количества одинаковых квадратиков, называемых пикселами (от англ. picture element – элемент изображения). Для каждого пиксела запоминаются его цвет или яркость.

Оба вида изображений широко применяются в компьютерной графике. В Табл. 1 .1 приведены основные отличительные черты растрового и векторного представления изображений.

Табл. 1.1

Преимущества	Недостатки
Векторные изображения
Малый размер файла	Невозможность передачи полутонов
Масштабируемость без потери качества	Необходимость создания изображения только на компьютере
Легкость редактирования
Растровые изображения
Фотореалистичная передача полутонов	Потеря качества при масштабировании
Легкость получения сканированием	Трудность редактирования
	Большой размер файла

Объем информации, содержащейся в векторном представлении, не зависит от физических размеров изображения. Например, на одной картинке представлен отрезок от точки (0,0) до точки (10,10), а на другой – от точки (1000,1000) до точки (10000,10000). Обе картинки займут одинаковое место в памяти, поскольку для хранения одной координаты зарезервирован один и тот же объем памяти - скажем, 6 байт. Тогда описание отрезка любой длины всегда будет занимать ровно 64=24 байта. Это важное свойство векторных изображений, позволяющее в масштабе 1:1 работать с чертежами целых зданий, мостов, самолетов и других крупных объектов.

Под масштабированием (scaling) понимается пропорциональное изменение размеров изображения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения (Рис. 1 .4).

а) исходное изображение	б) масштаб 2:1	в) масштаб 1:2

Рис. 1.4 – Масштабирование изображений.

Следует помнить, что при черчении масштаб изображения нельзя брать произвольно – он должен браться из установленного в ЕСКД ряда 1; 2; 2,5; 4; 5; 10; 15; 20; 25; 40; 50; 75; 100; 200; 400; 500; 800; 1000.

Легкость редактирования векторных изображений связана с тем, что они четко разделены на ряд объектов, у каждого из которых можно поменять описывающие его параметры. Например, для переноса отрезка вдоль оси Х на расстояние d достаточно прибавить величину d к абсциссам его концов. В случае же с растровым представлением тот же отрезок оказывается "рассыпанным" на большое количество не связанных между собой пикселов и перенести его оказывается фактически невозможно (Рис. 1 .5).

а) перенос векторного отрезка	б) перенос растрового отрезка

Рис. 1.5 – Редактирование векторных (а) и растровых (б) изображений.

Векторное изображение приходится тем или иным способом создавать на компьютере. Если у вас имеется чертеж, выполненный на бумаге, его можно отсканировать, но в результате получится растровое представление, качественно перевести которое в векторное практически невозможно. Это еще одно фундаментальное свойство двух рассматриваемых представлений: векторное изображение легко перевести в растровое, а вот растровое в векторное – крайне сложно.

Очевидно, что векторное представление малопригодно для изображений типа фотографий с большим количеством заливок и плавных переходов цвета, зато оно идеально подходит для чертежей, схем и т.п.

Главные недостатки растрового представления, помимо уже отмеченной трудности редактирования – большой объем занимаемой памяти и резкая потеря качества при масштабировании. Для цифровой обработки растровых изображений требуются мощные компьютеры, причем объем оперативной памяти здесь более важен, чем быстродействие процессора. Файлы же с растровыми изображениями могут занимать сотни мегабайт.