Прочитать и понять текст параграфов.

Прочитать и понять текст параграфов.

2. Уметь ответить на вопросы, которые приведены после текстов параграфов.

3. Разобраться в решение задач. Уметь решать подобные задачи самостоятельно.

Компьютерная графика

В наше время редко найдется школьник, который бы не играл в компьютерные игры или хотя бы не видел» как в них играют другие. На экране дисплея, как на телеэкране, бега­ют человечки, летают самолеты, мчатся гоночные машины... Чего только нет! Причем качество цветного изображения на современном персональном компьютере бывает лучше, чем у телевизора.

Раздел информатики, занимающийся проблемами создания и обработки на компьютере графических изображений, называется компьютерной графикой.

Как же получаются все эти картинки на экране ЭВМ? Вы уже хорошо знаете, что любую работу компьютер выпол­няет по определенным программам, которые обрабатывают определенную информацию. Дисплей — это устройство вы­вода информации, хранящейся в памяти ЭВМ. Значит, и «картинки» на экране — это отображение информации, на­ходящейся в компьютерной памяти.

История компьютерной графики

Результатами расчетов на первых компьютерах являлись длинные колонки чисел, напечатанных на бумаге. Для того чтобы осознать полученные результаты, человек брал бума­гу, карандаши, линейки и другие чертежные инструменты и чертил графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конст­рукций. Иначе говоря, человек вручную производил графическую обработку результатов вычислений. В графическом виде такие результаты становятся более наглядными и по­нятными. Таково уж свойство человеческой психики: на­глядность — важнейшее условие для понимания.

Возникла идея поручить графическую обработку самой машине. Первоначально программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью символов (звездочек, точек, крестиков, букв) по­лучались рисунки, напоминающие мозаику. Так печатались графики функций, изображения течений жидкостей и газов, электрических и магнитных полей (рис. 4.1).

С помощью символьной печати программисты умудря­лись получать даже художественные изображения. В редком компьютерном центре стены не украшались распечатками с портретами Эйнштейна, репродукциями Джоконды и другой машинной живописью.

Затем появились специальные устройства для графиче­ского вывода на бумагу —графопостроители (другое на­звание — плоттеры). С помощью такого устройства на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображе­ния: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Для управления работой графопостроителей стали создавать специальное программное обеспечение.

Настоящая революция в компьютерной графике про­изошла с появлением графических дисплеев. На экране гра­фического дисплея стало возможным получать рисунки, чер­тежи в таком же виде, как на бумаге с помощью каранда­шей, красок, чертежных инструментов.

Рисунок из памяти компьютера может быть выведен не только на экран, но и на бумагу с помощью принтера. Су­ществуют принтеры цветной печати, дающие качество ри­сунков на уровне фотографии.

Приложения компьютерной графики очень разнообразны. Для каждого направления создается специальное программ­ное обеспечение, которое называют графическими програм­мами, или графическими пакетами.

Научная графика

Это направление появилось самым первым. Назначение — визуализация (т. е. наглядное изображение) объектов науч­ных исследований, графическая обработка результатов рас­четов, проведение вычислительных экспериментов с нагляд­ным представлением их результатов (рис. 4.2).

Деловая графика

Эта область компьютерной графики предназначена для со­здания иллюстраций, часто используемых в работе различ­ных учреждений. Плановые показатели, отчетная докумен­тация, статистические сводки — вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные ма­териалы (рис. 4.3).

Программные средства деловой графики обычно включа­ются в состав табличных процессоров (электронных таблиц), с которыми мы познакомимся немного позже.

Конструкторская графика

Она используется в работе инженеров-конструкторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной гра­фики является обязательным элементом систем автомати­зации проектирования (САПР). Графика в САПР исполь­зуется для подготовки технических чертежей проектируе­мых устройств (рис. 4.4).

Графика в сочетании с расчетами позволяет проводить в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наибо­лее удачной компоновки деталей, прогнозировать последст­вия, к которым могут привести изменения в конструкции Средствами конструкторской графики можно получать плоские изображения (проекции, сечения) и пространственные трехмерные, изображения.

Иллюстративная графика

Программные средства иллюстративной графики позволя­ют человеку использовать компьютер для произвольного ри­сования, черчения подобно тому, как он это делает на бумаге с помощью карандашей, кисточек, красок, циркулей, лине­ек и других инструментов. Пакеты иллюстративной графики не имеют какой-то производственной направленности. По­этому они относятся к прикладному программному обеспече­нию общего назначения.

Простейшие программные средства иллюстративной гра­фики называются графическими редакторами. Подробнее о графических редакторах речь пойдет ниже.

Компьютерная анимация

Получение движущихся изображений на дисплее ЭВМ на­зывается компьютерной анимацией. Слово «анимация» означает «оживление».

В недавнем прошлом художники-мультипликаторы со­здавали свои фильмы вручную. Чтобы передать движение, им приходилось делать тысячи рисунков, отличающихся друг от друга небольшими изменениями. Затем эти рисунки переснимались на кинопленку. Система компьютерной ани­мации берет значительную часть рутинной работы па себя. Например, художник может создать на экране рисунки лишь начального и конечного состояний движущегося объ­екта, а все промежуточные состояния рассчитает и изобразит компьютер. Такая работа также связана с расчетами, опира­ющимися на математическое описание данного типа движе­ния. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения (рис. 4.6).

Коротко о главном

Компьютерная графика — область информатики, занима­ющаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

Для создания графических изображений требуется спе­циальное программное обеспечение — графические пакеты.

Основные области применения компьютерной графики: научная графика; деловая графика; конструкторская графи­ка; иллюстративная графика; художественная и рекламная графика.

Компьютерная анимация — это получение движущихся изображений на дисплее.

Вопросы

1.Что называют компьютерной графикой?

2.Назовите основные области применения компьютерной графики,

3. Что такое компьютерная анимация?

Как кодируется изображение

Кодирование цветов пикселей

Информация о состоянии каждого пикселя хранится в за­кодированном виде в памяти компьютера. Код может быть однобитовым, двухбитовым и т. д.

Белый, 0 — черный.

Пиксель на цветном дисплее может иметь различную окраску. Поэтому одного бита на пиксель недостаточно,

Для кодирования четырехцветного изображения требует­ся двухбитовый код, поскольку спомощью двух битов мож­но выразить 4 различных значения (отобразить 4 различных состояния). Может использоваться, например» такой вари­ант кодирования цветов:

1. 0 — черный, 10 — зеленый,

2. 1 — красный, 11 — коричневый.

Из трех базовых цветов — зеленого, красного, синего — можно получить восемь комбинаций трехбитового кода:

В этом коде каждый базовый цвет обозначается его первой буквой (к — красный, с —синий, з — зеленый). Черточка означает отсутствие цвета.

Следовательно, для кодирования восьмицветного изобра­жения требуются 3 бита памяти на один видеопиксель. Если наличие базового цвета обозначить единицей, а отсутствие —нулем, то получается таблица кодировки восьмицветной па­литры (табл. 4.1).

Из сказанного, казалось бы, следует вывод: с помощью трех базовых цветов нельзя получить палитру, содержащую больше восьми цветов. Однако на экранах современных компьютеров получают цветные изображения, составленные из сотен, тысяч и даже миллионов различных красок и от­тенков. Как это достигается?

Если иметь возможность управлять интенсивностью (яр­костью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, дающих разные краски и оттенки, увеличивается,

Шестнадцатицветная палитра получается при использо­вании четырехразрядной кодировки пикселя; к трем битам базовых цветов добавляется один бит интенсивности. Этот бит управляет яркостью всех трех цветов одновременно (ин­тенсивностью трех электронных пучков) (табл. 4.2).

Большее количество цветов получается при раздельном управлении интенсивностью базовых цветов. Причем интен­сивность может иметь более двух уровней, если для кодиро­вания интенсивности каждого из базовых цветов выделять больше одного бита.

Из сказанного можно вывести правило:

Объем видеопамяти

Объем необходимой видеопамяти определяется размером графической сетки дисплея и количеством цветов. Мини­мальный объем видеопамяти должен быть таким, чтобы в него помещался один кадр (одна страница) изображения. На­пример, для сетки 640 х 480 и черно-белого изображения ми­нимальный объем видеопамяти должен быть таким:

640 *480 *1 бит = 307 200 бит = 38 400 байт.

Это составляет 37,5 Кбайт.

Для четырехцветной гаммы и той же графической сетки видеопамять должна быть в два раза больше — 75 Кбайт; для восьмицветной — 112,5 Кбайт,

На современных высококачественных дисплеях использу­ется палитра более чем из 16 миллионов цветов. Требуемый размер видеопамяти в этом случае — несколько мегабайтов.

Коротко о главном

Информация в видеопамяти — это двоичные коды, обо­значающие цвета пикселей на экране.

Для кодирования двух цветов достаточно 1 бита на пик­сель; четырех цветов — 2 битов; восьми цветов — 3 битов; шестнадцати цветов — 4 битов и т. д. Количество цветов К и размер кода в битах Ь связаны формулой: К — 2.

Из трех базовых цветов можно получить S различных цве­тов, Большее число цветов получается путем управления ин­тенсивностью базовых цветов.

Минимально необходимый объем видеопамяти зависит от размера сетки пикселей и от количества цветов. Обычно в ви­деопамяти помещается несколько страниц (кадров) изобра­жения одновременно.

Вопросы

1.Какая информация содержится в видеопамяти?

2.Сколько битов видеопамяти на один пиксель требуется для хра­нения двухцветного; четырехцветного; восьми цветного; шест­надцати цветного изображения?

3.Пусть видеопамять компьютера имеет объем 512 Кбайт, Размер графической сетки — 640 х 480, Сколько страниц экрана одно­временно разместится в видеопамяти при палитре из 16 цветов; 256 цветов?

Растровая графика

Растровые графические редакторы называют программа­ми «картинного стиля», поскольку в них есть инструменты, которые используют художники при рисовании картин:«ки­сти», «краски», «ластики» и др. При создании растрового изображения пользователь словно водит кистью по «элект­ронному полотну» закрашивая каждый пиксель рисунка, или стирает закраску пикселей, используя «ластик».

При вводе изображений с помощью сканера (фотографий, рисунков, документов) также формируются графические файлы растрового формата.

Основное достоинство растровой графики состоит в том, что при высокой разрешающей способности монитора раст­ровое изображение может иметь фотографическое качест­во (рис. 4.13).

Основной недостаток растровой графики — большой раз­мер графических файлов. Простые растровые картинки зани­мают несколько десятков или сотен килобайтов. Реалистиче­ские изображения, полученные с помощью сканеров с вы­сокой разрешающей способностью, могут занимать несколь­ко мегабайтов. По этой причине информация в файлах рас­трового формата, как правило, хранится в сжатом виде. Для сжатия графической информации используются специаль­ные методы, позволяющие сократить ее объем в десятки раз.

Еще одним недостатком растровых изображений является их искажение, возникающее при изменении paзмеров, враще­нии и других преобразованиях. Картинка, которая прекрасно выглядела при одном размере, после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Напри­мер, в областях однотонной закраски могут появиться не­нужные узоры; кривые и прямые линии могут приобрести пилообразную форму и г. п.

Векторная графика

Векторные изображения получаются с помощью графиче­ских редакторов векторного типа (их еще называют пакетами иллюстративной графики). Эти пакеты предоставляют в распо­ряжение пользователя набор инструментов и команд, с помо­щью которых создаются рисунки. Прямые линии, окружно­сти, эллипсы и дуги являются основными компонентами век­торных изображений. Одновременно с процессом рисования специальное программное обеспечение формирует описания графических примитивов, из которых строится рисунок. Эти описания сохраняются в графическом файле.

Картинки на рис. 4.14 составлены из графических прими­тивов с помощью редактора векторного типа.

К достоинствам векторной графики можно отнести следу­ющие ее свойства.

Графические файлы векторного типа имеют относи­тельно небольшие размеры, Рисунки, состоящие из тысяч примитивов, занимают дисковую память, объем которой не превышает нескольких сотен килобайтов. Аналогичный рас­тровый рисунок требует в 10-1000 раз большую память.

Векторные изображения легко масштабируются без по­тери качества, Например, для увеличения или уменьшения эллипса достаточно изменить координаты левого верхнего и правого нижнего углов прямоугольника, ограничивающего этот эллипс.

Следует понимать, что различие в представлении графи­ческой информации в растровом и векторном форматах су­ществует лишь для файлов. При выводе на экран любого изображения в видеопамяти формируется информация, со­держащая данные о цвете каждого пикселя экрана.

Коротко о главком

Существуют два подхода к представлению изображения на компьютере: растровый и векторный.

Растровая графическая информация — это сведения о цвете каждого пикселя при выводе изображения на экран.

Векторная графическая информация — это описания гра­фических элементов (примитивов), из которых составлен ри­сунок: прямых линий, дуг, эллипсов, многоугольников, за­красок и пр.

Растровые графические редакторы формируют графиче­ские файлы с данными растрового типа. Векторные редакто­ры формируют графические файлы векторных форматов.

При сканировании изображений формируется графиче­ская информация растрового типа.

Растровый формат позволяет получать изображения фото­графического качества; растровые графические файлы име­ют большой размер и обычно подвергаются сжатию.

Файлы векторного формата относительно невелики. Век­торное изображение хорошо поддается растяжению и сжа­тию, не теряя при этом качества.

Вопросы

1.В чем разница между растровым и векторным способами пред­ставления изображения?

2.Какая информация хранится в файлах растрового типа и в файлах векторного типа?

3.Что такое система графических координат?

4. Какой способ представления графической информацииэкономнее по использованию памяти?

7.Длячего производится сжатие файлов растрового типа?

8.Как реагируют растровые и векторные изображения на изменение «размеров»?

Примеры решения задач

Объем видеопамяти рассчитывается по формуле: V=I*X*Y, где I – глубина цвета отдельной точки, X, Y – размеры экрана по горизонтали и по вертикали (произведение х на у – разрешающая способность экрана).

- глубина цвета (количество бит, используемых для кодирования цвета точки), например, 8, 16, 24, 32 бита. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, Тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора может быть вычислено по формуле K=2^I , где K – количество цветов, I – глубина цвета или битовая глубина.

- палитра (количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения), например 4 цвета, 16 цветов, 256 цветов, 256 оттенков серого цвета, 2¹⁶ цветов в режиме называемом High color или 2²⁴, 2³² цветов в режиме True color.

Задача 1. Определить требуемый объем видеопамяти для графического режима экрана 640х480, если глубина цвета на одну точку равна 4 бит

Решение:

Всего точек на экране (разрешающая способность): 640 * 480 = 307200
2. Необходимый объем видеопамяти V= 4 бит * 307200 = 1228800 бит = 153600 байт = 150 Кбайт.

 

Задача 2. Черно-белое (без градаций серого) растровое графическое изображение имеет размер 10 ´10 точек. Какой объем памяти займет это изображение?

Решение:

1. Количество точек -100

2. Так как всего 2 цвета черный и белый. то глубина цвета равна 1 (2¹ =2)

3. Объем видеопамяти равен 100*1=100 бит

Задача 3. Для хранения растрового изображения размером 128 x 128 пикселей отвели 4 КБ памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Решение:

1. Определим количество точек изображения. 128*128=16384 точек или пикселей.

2. Объем памяти на изображение 4 Кб выразим в битах, так как V=I*X*Y вычисляется в битах. 4 Кб=4*1024=4 096 байт = 4096*8 бит =32768 бит

3. Найдем глубину цвета I =V/(X*Y)=32768:16384=2

4. N=2^I , где N – число цветов в палитре. N=4

Ответ: 4

Задача 4. Какой объем видеопамяти необходим для хранения четырех страниц изображения, если битовая глубина равна 24, а разрешающая способность дисплея- 800 х 600 пикселей? ([6], №63)

Решение:

1. Найдем объем видеопамяти для одной страницы: 800*600*24=11520000 бит =1440000 байт =1406,25 Кб ≈1, 37 Мб

2. 1,37*4 =5,48 Мб ≈5.5 Мб для хранения 4 страниц.

Ответ: 5.5 Мб

Задача 5. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 65536 до 16. Во сколько раз уменьшится объем занимаемой им памяти?

Решение:

Чтобы закодировать 65536 различных цветов для каждой точки, необходимо 16 бит. Чтобы закодировать 16 цветов, необходимо всего 4 бита. Следовательно, объем занимаемой памяти уменьшился в 16:4=4 раза.

Ответ: в 4 раза

Задача 6. Достаточно ли видеопамяти объемом 256 Кбайт для работы монитора в режиме 640 ´ 480 и палитрой из 16 цветов?

Решение:

1. Узнаем объем видеопамяти, которая потребуется для работы монитора в режиме 640х480 и палитрой в 16 цветов. V=I*X*Y=640*480*4 (2⁴ =16, глубина цвета равна 4),

V= 1228800 бит = 153600 байт =150 Кб.

2. 150 < 256, значит памяти достаточно.

Ответ: достаточно

Прочитать и понять текст параграфов.

2. Уметь ответить на вопросы, которые приведены после текстов параграфов.

3. Разобраться в решение задач. Уметь решать подобные задачи самостоятельно.

Компьютерная графика

В наше время редко найдется школьник, который бы не играл в компьютерные игры или хотя бы не видел» как в них играют другие. На экране дисплея, как на телеэкране, бега­ют человечки, летают самолеты, мчатся гоночные машины... Чего только нет! Причем качество цветного изображения на современном персональном компьютере бывает лучше, чем у телевизора.