Трехмерная графика. 3D-графика

Трехмерная графика - технология мультимедиа; компьютерная графика, создаваемая с помощью изображений, имеющих длину, ширину и глубину.

Трёхмерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения, 3 Dimensions, рус. 3 измерения) — раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экранкомпьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Лазерная графика

Лазерная графика или Лазерная гравировка (также англ. Sub Surface Laser Engraving, SSLE) — рисование лучом лазера на поверхности или внутри объема стекла (кристалла). Основное распространение лазерная графика имеет в сувенирном бизнесе.

Можно отметить два способа создания рисунка в объеме стекла: выжигание лучом лазера объемного изображения по авторскому рисунку художника[15] или создание копии фотографического изображения в кристалле. Последнее стало именоваться лазерной фотографией в стекле. Технология лазерной графики нашла свое применение в электронной промышленности при изготовлении печатных плат методами фотолитографии. Лазерная технология позволяет корректировать дорогостоящие маски для фотолитографии.

Создание изображений с помощью Adobe Photoshop

Adobe Photoshop — легендарный многофункциональный графический редактор, разработанный и распространяемый фирмой Adobe Systems. В основном работает с растровыми изображениями, однако имеет некоторые векторные инструменты. Продукт является лидером рынка в области коммерческих средств редактирования растровых изображений, и наиболее известным продуктом фирмы Adobe. Часто эту программу называют просто Photoshop (Фотошоп). В настоящее время Photoshop доступен на платформах Mac OS X/Mac OS и Microsoft Windows.

Создатели - Томас и Джон Нолл (Thomas, John Knoll) лето 1988 г. – Photoshop 0.63 для Macintosh. Лицензия на распространение программы была куплена Adobe Systems в сентябре 1988 г. Последняя версия – CS6 13.0 и CS6 Extended 13.0 (7 мая 2012 года)

Сам перевод названия программы "Фотомагазин" говорит о том, что это программа для фотографов. Программное обеспечение Adobe® Photoshop соответствует мировым стандартам, позволяет создавать профессиональные изображения на высшем уровне.

Основные понятия компьютерной графики

Для того чтобы работать с Adobe Photoshop не механически, а с пониманием своих действий, пользователь должен иметь некоторые общие (базовые) представления о характеристиках цифровых изображений. Дело в том, что любое цифровое изображение на компьютере характеризуются набором его таких параметров, как размер, разрешение, формат и тип цветовой модели. Перечисленные параметры и определяют качество растрового изображения, а также размер (вес) графического файла.

Растровое компьютерное изображение состоит из пикселей, расположенных по строкам и столбцам. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, характеризуемый определённым цветом.

Пиксель – наименьший логический элемент двумерного цифрового изображения в растровой графике.

Чем больше пикселей на единицу площади содержит изображение, тем более оно детально. Максимальная детализация растрового изображения задаётся при его создании и не может быть увеличена. Если увеличивается масштаб изображения, пиксели превращаются в крупные зёрна.

Важными характеристиками изображения являются:

· разрешение — величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины).

· глубина цвета или количество используемых цветов (эти характеристики имеют следующую зависимость: N = 2^k, где N — количество цветов, а k — глубина цвета);

· цветовое модель RGB, CMYK, HSB, XYZ, YCbCr и др.

· количество пикселей — размер.

Разрешение изображения

Количество пикселей в изображении определяет его разрешение. Пиксели часто называют точками, тогда разрешение измеряется в dpi (dot per inch), то есть в количестве точек на дюйм [16].

Разрешение изображения – величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу длины (или единицу площади). Параметр «разрешение изображения» характеризует качество изображения.

Так как общее количество пикселей в изображении фиксировано, то увеличение разрешения приводит к изменению физического размера изображения и наоборот. Так же необходимо учитывать, что при печати большее разрешение приводит к более четкому изображению.

Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения — его физическим размером.

Очевидно, чем выше разрешение, тем большее количество пикселей содержит изображение и тем большим количеством деталей (то есть - качеством) такое изображение характеризуется.

Глубина цвета

Информация в памяти компьютера представляется в двоичном виде. Текст, картинка, запись базы данных - все это с точки зрения вычислительной машины не более чем последовательность нулей и единиц со своими правилами обработки. Чем длиннее эта последовательность, тем, как правило, больше информации она может хранить об объекте.

В растровой графике все точки, составляющие изображение, - это совершенно независимые образования со своей яркостью и цветом. Если отвести на каждый пиксель по одному двоичному разряду, то в таком коротком слове можно запомнить только два состояния графического элемента: черное и белое.

Пусть точкам соответствует кодовые последовательности, состоящие из восьми двоичных разрядов. В этом случае можно занести в память компьютера информацию о 2⁸ = 256 градациях яркости. С ростом длины кодового слова увеличивается количество деталей картинки, которые можно сохранить в памяти вычислительной системы.

При помощи 24 (8+8+8) битов можно закодировать богатую цветовую палитру, состоящую из 2²⁴= 16 777 216 цветов и оттенков. Поясним это утверждение.

Известно, что каждый видимый цвет можно представить в виде композиции трех базовых координа т красной (Red, R), зеленой (Green, G) и синей (Blue, B). В компьютерной графике эти координаты часто называют каналами. На каждый канал отводится по восемь двоичных разрядов, что дает возможность кодирования 256 градаций яркости цветовой координаты. Поскольку яркости каналов являются независимыми, то общее число доступных цветов находится по формуле256*256*256 = 16 777 216. Этот способ генерации цвета называется аддитивной моделью (аддитивной системой, системой RGB), а цветовое пространство, состоящее из 16 777 216 элементов, иногда именуют True Color.

Количество двоичных разрядов, приходящихся на одну точку, пиксель или выборку принято называть глубиной цвета. Эта характеристика относится не только к изображениям; с ее помощью можно описывать свойства цифровых устройств и процессов, например сканеров.

Глубина цвета характеризует число воспроизводимых градаций яркости пик­селя в черно-белых изображениях и количество отображаемых цветов в цветном изображении.

В черно-белых изображениях уровни яркости представляются в виде оттенков серого цвета, а в цветных изображениях эти уровни проявляются в виде различных цветовых тонов. Чем больше оттенков цвета в изображении, тем выше его яркостное (цветовое) разрешение, называемое глубиной цвета, и тем большее число уровней яркости (цветов) будет содержать файл такого изображения.

С точки зрения цветовой глубины растровые изображения можно разбить на несколько типов:

Для монохромного черно-белого (Black and White) изображения используются только два типа ячеек: черные и белые. Поэтому для запоминания каждого пикселя требуется только 1 бит памяти компьютера. Такие изображения часто называются 1-битовыми изображениями. Соответственно, их цветовая разрешающая способность будет равна 1 бит/пиксель.

В другом типе растровых изображений, называемом оттенки серого (Grayscale), на каждый пиксель выделяется до 8 бит информации. Это позволяет оперировать с комбинацией из 256 градаций яркости, перекрывающей весь диапазон оттенков серого от черного до белого.

Цветовые модели

Цветовая модель — термин, обозначающий абстрактную модель описания представления цветов в виде кортежей чисел, обычно из трёх или четырёх значений, называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами.

Примеры: RGB (sRGB), CMYK, LAB, YUV, RYB, YIQ RGB

В технических средствах используются два типа цветных объектов –

· самосветящиеся, излучающие объекты (экраны электронно-лучевых трубок, плазменные панели, матрицы светодиодов) и

· несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет (бумажные оттиски, светофильтры и т.п.).

Для излучающих объектов используется аддитивный принцип синтеза, когда требуемый цвет формируется за счет смешения основных (несводимых) цветовых оттенков. В этом случае целесообразно использовать модель, основанную на принципе сложения цветов, которая называется аддитивной моделью. Самой известной моделью такого типа является модель RGB. Ее название образовано по первым буквам базовых цветовых координат Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий).

Цвет несамосветящихся объектов формируется по субтрактивному принципу синтеза. Этот цвет образуется как сумма непоглощенных составляющих светового потока некоторого внешнего источника. Корректное описание данного цветового феномена дает так называемая субтрактивная цветовая модель CMY. Ее название образовано по первым буквам цветовых координат Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый).

RGB

RGB (аббревиатура английских слов R ed, G reen, B lue — красный, зелёный, синий) — аддитивная цветовая модель, как правило, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения.

Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике.

Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путём добавления (англ. addition) к черному.

Красный зеленый и синий принято называть первичными цветами или цветовыми координатами, а их представление в программах обработки графики - каналами.

Изображение в данной цветовой модели состоит из трёх каналов. При смешении основных цветов (основными цветами считаются красный, зелёный и синий) — например, синего (B) и красного (R), мы получаем пурпурный (M magenta), при смешении зеленого (G) и красного (R) — жёлтый (Y yellow), при смешении зеленого (G) и синего (B) — циановый (С cyan). При смешении всех трёх цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W).

В телевизорах и мониторах применяются три электронных пушки (светодиода, светофильтра) для красного, зелёного и синего каналов.

Цветовая модель RGB имеет по многим тонам цвета более широкий цветовой охват (может представить более насыщенные цвета), чем типичный охват цветов CMYK, поэтому иногда изображения, замечательно выглядящие в RGB, значительно тускнеют и гаснут в CMYK.

Это одна из наиболее распространенных и часто используемых моделей. Она применяется в приборах, излучающих свет, таких, например, как мониторы, проекторы, телевизоры

Эта модель является в настоящее время самой распространенной. В то же время ей присущ важный недостаток: не все цвета, видимые человеком, представимы в этой модели.

Изображения, заданные системе RGB с глубиной цвета в 24 бита, - это полноценные объекты, которые не имеют ограничений на обработку в растровых редакторах. Большинство цветных сканеров продуцирует именно такие изображения. Только устройства оцифровки самого высокого класса способны выдавать изображения в системе CMYK.

CMYK

Четырёхцветная автотипия (CMYK: Cyan, Magenta, Yellow, Key color) — субтрактивная схема формирования цвета, используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK, как правило, обладает (сравнительно с RGB) небольшим цветовым охватом.

По-русски эти цвета часто называют голубым, пурпурным и жёлтым, хотя первый точнее называть сине-зелёным, а маджента — лишь часть пурпурного спектра. О значении K см. далее. Печать четырьмя красками, соответствующими CMYK, также называют печатью триадными красками.

Цвет в CMYK зависит не только от спектральных характеристик красителей и от способа их нанесения, но и их количества, характеристик бумаги и других факторов. Фактически, цифры CMYK являются лишь набором аппаратных данных для фотонаборного автомата или CTP[17] и не определяют цвет однозначно.