Способ формирования изображения является основополагающим классификационным признаком графики, так как он не только лежит в основе качества изображения, выводимого на экран, но и определяет возможности редактирования, емкость занимаемой при хранении изображения памяти, а также поведение графического объекта при различных технических характеристиках монитора. По этому признаку выделяют три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную.
Векторная графика имеет на сегодняшний день достаточно широкую область применения в самых различных областях человеческой деятельности, начиная от рекламы на страницах газеты и заканчивая разработкой конструкторской документации любого уровня сложности. Векторные изображения применяют при создании чертежей, графиков, схем, карт; с помощью векторной графики создаются открытки, обложки книг и журналов, рисуется мультипликация и др.
Основным элементом векторной графики является линия, которая является основой ряда простейших объектов (геометрических примитивов), таких как дуги, окружности, многоугольники и т.п. Эти примитивы и их комбинации используются для создания более сложных изображений. Любое векторное изображение можно представить в виде набора объектов (рис.2), расположенных определенным образом друг относительно друга.
Рис.2. Векторное изображение и составляющие его объекты
В основе векторной графики лежат расчёт координат экранных точек, входящих в состав линии контура изображения и математические представления о свойствах геометрических фигур. Векторная графика использует для построения изображений координатный способ. Комбинации компьютерных команд и математических формул позволяют устройствам компьютера, таким как монитор и принтер, при рисовании векторных объектов вычислять, где необходимо помещать реальные точки. Поэтому векторную графику часто называют объектно-ориентированной или чертежной графикой.
Векторный графический объект состоит из двух элементов: контура и его внутренней области, которая может быть пустой или иметь заливку в виде цвета, цветового перехода (градиента), или рисунка. Контур может быть как замкнутым, так и разомкнутым. В векторном объекте он выполняет двойную функцию. Во-первых, с помощью контура можно менять форму объекта. Во-вторых, контур векторного объекта можно оформлять (тогда он будет играть роль обводки), предварительно задав его цвет, толщину и стиль линии. Векторная графика также содержит математические описания кривых и цветовых заливок, составляющих изображение.
Важным преимуществом векторной графики является масштабируемость изображений. При изменении размеров рисунка выполняется пересчет соответствующих коэффициентов в математических формулах уравнений примитивов и построение линий по этим уравнениям. В результате не происходит искажений объекта, характерных для растровых изображений. Таким образом, векторные изображения сложнее создавать, но легче редактировать (в любой момент можно изменить контур, сменить заливку, уменьшить или увеличить размеры и пропорции, заменить один элемент другим и т.д.).
Еще одним плюсом векторных изображений является их размер (объем дискового пространства, занимаемого файлом), который гораздо меньше, чем у растровых, так как в памяти компьютера каждый из объектов этой графики сохраняется в виде математических уравнений, в то время как параметры каждой точки (координаты, интенсивность, цвет) описываются в файле растровой графики индивидуально, отсюда – большие размеры файлов.
Кроме маштабируемости и размера файлов, к достоинствам векторной графики можно отнести высокое качество прорисовки линий и возможность независимого редактирования элементов изображения. А поскольку векторная графика не зависит от разрешения, то векторное изображение может быть показано в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества.
Главными недостатками векторной графики являются: сложность передачи оттенков и плавных переходов цветов; невозможность отображения фотореалистичных изображений; небольшие возможности по обработке изображений.
В качестве примеров использования векторных изображений в сфере культуры и искусства можно привести следующие.
С помощью векторной графики можно решить много художественно-графических задач. Возможность масштабирования векторного изображения без потери качества может быть ценна, например, при создании большой по размеру рекламы.
Векторная компьютерная графика является объектно-ориентированной, т.е. каждый элемент изображения является отдельным объектом, которому можно изменить свойства. Это может быть использовано, например, при изучении законов композиции: ритма, поиска сюжетно-композиционного центра, симметрии и асимметрии, параллельности в композиции и пр.
Возможность простого редактирования контура может быть применима для работы над линейным рисунком, дизайном изделий из стекла, керамики и других пластичных материалов.
Для декоративно-прикладного искусства векторная компьютерная графика позволяет работать над орнаментальной композицией в круге, квадрате или полосе. Разработав рапорт или элемент орнамента, векторная графика позволяет размножить его без дополнительной прорисовки, что особенно ценно в процессе творческого поиска.
Растровая графика – это изображения, сформированные под воздействием клавишных команд или сигналов от манипулятора типа мышь, а также при сканировании изображений и «захвате» изображений с цифровых устройств (рис.3).
Рис.3. Пример растрового изображения
Растровое представление обычно используют при обработке графических изображений с большим количеством деталей и оттенков, например, фотографий, при создании изображений для использования в других программах, для размещения в сети Интернет, при создании различных художественных эффектов, которые возможны благодаря специальным программным фильтрам.
Основной минимальный элемент растрового изображения точка – она называется pixel (от PICture ELement) – пиксель или пиксел.
Примечание:Пикселем также называют отдельную точку на экране монитора и отдельную точку на изображении, напечатанном принтером.
Пиксели размещаются по фиксированным строкам (растрам), образуя в совокупности рисунок.
Растровые изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть фиксированы компьютером. Размер изображения, расположение и цвет пикселей – это основные характеристики, которые файл растрового изображения должен сохранить, чтобы создать картинку. Пиксель также характеризуется прозрачностью при наложении элементов друг на друга.
На единицу длины растрового изображения приходится определенное количество пикселей. Эта величина называется разрешением и измеряется в количестве пикселей на дюйм (pixels per inch – ppi) или точек на дюйм (dots per inch – dpi). Чем выше разрешение, тем больше пикселей помешается в дюйме и тем качественней изображение.
Примечание:Стандартное разрешение экрана монитора (72 ppi) – наименьшее разрешение, при котором человеческий глаз различает «картинку» как единое целое, а не как «набор квадратиков (пикселей)».
Разрешение растрового изображения определяется пользователем, когда изображение оцифровывается с использованием сканера или цифрового фотоаппарата либо создается в программе обработки или редактирования изображений.
Экранная матрица монитора может быть разной размерности, т.е. мониторы имеют разное разрешение, например, 1024х768 или 1600х1200. Поскольку сам экран физически не меняется, то при использовании видеокарты с большим разрешением размер ячейки будет меньше, а детальность изображения – выше. Программы пиксельной графики и Web-браузеры отображают пиксели изображения при помощи пикселей экрана: если разрешение документа совпадает с разрешением экрана, то отображение на экране будет отображаться "пиксель в пиксель". Если у документа разрешение превышает экранное, то при масштабе 100% документ будет увеличенным. Например, изображение с разрешением 144 ppi на экране монитора будет в два раза больше, чем изображение с разрешением 72 ppi, даже если их геометрический размер будет одинаковым. Считается правильным готовить изображения для показа на экране монитора (презентации, Web-страницы, анимация и видео) с разрешением 72 ppi или 96 ppi. Большее разрешение в этом случае не даст улучшения качества картинки, а только увеличит ее размер и объем файла.
Разрешение принтера связано с количеством точек на дюйм, которые он может воспроизводить при печати. Лазерные и струйные принтеры имеют техническое разрешение от 600 до 1200 dpi и годятся для распечатки тоновых изображений с разрешением от 150 до 300 ppi. Зависимость между техническим разрешением принтера и разрешением изображения отличается в 4 раза. Если струйный цветной принтер имеет разрешение 800 dpi, то изображение для печати на этом принтере должно иметь разрешение 200 ppi.
§ высокое качество изображения (при соответствующем разрешении);
§ точная передача оттенков и плавных переходов цветов;
§ большое количество алгоритмов обработки, для получения различных эффектов;
§ возможность отображения фотореалистичных изображений.
Однако можно отметить и следующие недостатки:
§ большой объём требуемой дисковой и оперативной памяти, поскольку при хранении и обработке изображения кодируется каждый его пиксель.
§ проблемы разбиения сложного изображения на произвольные элементы, для их раздельного использования и редактирования.
§ сложность масштабирования изображения.
При масштабировании растровой графики, качество ее представления может измениться, поскольку пиксели будут перераспределяться по сетке. К сожалению, масштабирование в любую сторону обычно ухудшает качество. При увеличении изображения становятся видны отдельные пиксели, при уменьшении сложно рассчитать результирующий цвет пикселя, который получается при слиянии нескольких пикселей разных цветов, а также могут теряться мелкие детали и деформироваться надписи.
Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, также понижает его качество.
Если сравнить достоинства и недостатки растровых и векторных изображений, можно заметить, что они, в основном, взаимно дополняют друг друга. В настоящее время происходит постепенное взаимопроникновение методов обработки растровых и векторных изображений, т.е. появляется новый класс изображений, которые являются смешанными – растрово-векторными (например, векторные изображения с использованием растровых изображений как фонов или заливок контуров).
Следует также отметить, что векторные и растровые изображения могут быть преобразованы друг в друга – в этом случае говорят о конвертации графических файлов в другие форматы. Достаточно просто выполняется преобразование векторных изображений в растровые – растеризация, которая осуществляется с помощью специальных функций в редакторах векторной графики (например, в Corel DRAW и в Adobe Illustrator). Преобразование растровых изображений в векторные – трассировка – производится специализированными программами трассировки (например, CorelTRACE, или Adobe StreamLine). Данное преобразование для некоторых изображений дает не всегда нужное качество, так как для этого растровая картинка должна содержать четкие линии, которые могут быть идентифицированы программой как векторные примитивы.
Фрактальная графика (рис.4) имеет математической основой фрактальную геометрию, в которой в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников.
Рис.4. Примеры фрактальных изображений
Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.
Объект, мелкие элементы которого повторяют свойства всего объекта, называется фрактальной фигурой. Процесс наследования в такой фигуре можно продолжать до бесконечности. Фрактальная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как, горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др.
Изменяя и комбинирую окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию». Фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фрактальная графика может быть удачно использована при составлении декоративной композиции или для создания орнамента. Геометрические фракталы на экране компьютера – это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе.
Трехмерная графика (рис.5) имеет много общего с векторной компьютерной графикой. Она также может называться объектно-ориентированной. Это позволяет изменять как все элементы трехмерной сцены, так и каждый объект в отдельности. Трехмерная графика применяется при разработке дизайн-проектов интерьера, архитектурных объектов, в рекламе, при создании обучающих компьютерных программ, видео-роликов, наглядных изображений деталей в машиностроении и т. д.
Рис.5. Пример трехмерного изображения
Трёхмерная компьютерная графика позволяет создавать объёмные трёхмерные сцены с моделированием условий освещения и установкой точек зрения. Трехмерные изображения (или персонажи) моделируются и перемещаются в виртуальном пространстве, в природной среде или в интерьере, а их анимация позволяет увидеть объект с любой точки зрения, переместить в искусственно созданной среде и пространстве, разумеется, при сопровождении специальных эффектов.
Для декоративно-прикладного искусства трёхмерная компьютерная графика предоставляет возможность макетирования будущих изделий с передачей фактуры и текстуры материалов, из которых эти изделия будут выполнены. Возможность увидеть с любых точек зрения макет изделия до его воплощения в материале позволяет внести изменения и исправления в его форму или пропорции, которые могут быть уже невозможны после начала работы (например, ювелирные изделия, декоративное литьё из металла и др.). В том же направлении трехмерная графика может быть использована для поддержки скульптуры, дизайна, художественной графики и др.
Объёмная трёхмерная анимация и спецэффекты также создаются средствами трёхмерной графики.
