Комп’ютерна графіка, її види

Комп’ютерна графіка — галузь людської діяльності, пов’язана з використанням комп’ютерів для створення зображень і опрацювання візуальної інформації, отриманої з реального світу. У вужчому розумінні комп’ютерною графікою називають результат такої діяльності. В інформатиці як науці комп’ютерна графіка виділена в окрему галузь, яка вивчає методи і засоби створення, опрацювання та використання зображень за допомогою програмно-апаратних засобів. Комп’ютерна графіка – створення та опрацювання зображень (малюнків, креслень, тощо) за допомогою комп’ютера.

Основні галузі застосування технологій комп’ютерної графіки такі:

ü графічний інтерфейс користувача;

ü спецефекти, кінематографія та телебачення;

ü цифрове телебачення, мережа Інтернет, відеоконференції;

ü опрацювання цифрових фотографій;

ü комп’ютерні ігри, системи віртуальної реальності.

Існує три види графіки:

ü Растрова;

ü Векторна;

ü Фрактальна.

Вони відрізняються принципами формування зображення при відтворенні на екрані монітора або при друкуванні на папір. Спосіб подання зображення значно впливає на можливості редагування, друкування, а також на об’єм графічних файлів.

Основним елементом растрового зображення в комп’ютері є точка, яку називають пікселем. Растрове зображення нагадує аркуш паперу в клітинку, на якому кожна клітинка зафарбована певним кольором. У житті часто зустрічаються зображення, зібрані з окремих елементів: вітраж складається з кількох шматків скла, вишивка – з окремих стібків, фотографія – з гранул срібла тощо.

Кожний растровий малюнок має певну кількість точок по горизонталі та по вертикалі. Ці два числа характеризують розмір малюнка. Розмір малюнка в пікселях записують так: кількість пікселів по горизонталі Х та кількість пікселів по вертикалі У. В залежності від того на які розподілені характеристики налагоджена операційна система, розміри екрана дисплея в пікселях бувають 640х480, 1024х768, 1240х1024 тощо. Очевидно, що чим більша кількість пікселів міститься по горизонталі та вертикалі за одних і тих самих геометричних розмірів малюнка, тим вище якість його відтворення.

Крім розмірів малюнок характеризують також кольором кожного пікселя. Таким чином, для створення або зберігання растрового малюнку необхідно вказати його розмір і колір кожного пікселя.

З розміром зображення безпосередньо пов’язані його розподілені характеристики. Їх вимірюють в точках на дюйм (dots per inch – dpi). У монітора з діагоналлю 15“ розмір зображення на екрані складає приблизно 21х28 см (1”= 25,4 мм). Тоді при роботі монітора в режимі 800х600 пікселів розподілені характеристики екранного зображення 72 dpi.

Недоліки растрової графіки:

1. Великі розміри файлів, у яких зберігають растровий малюнок (для роботи з такими малюнками потрібні комп’ютери з оперативною пам’яттю вище 128 Мб);

2. Неможливість збільшення растрових зображень для переглядання деталей (оскільки зображення складається з точок, то його збільшення приводить до того, що ці точки стають більше і ніяких додаткових деталей не можна побачити. Збільшення точок растра спотворює ілюстрацію і робить її грубою. Цей ефект називають пікселізацією).

Основним елементом зображення у векторній графіці є лінія (неважливо пряма чи крива).

У растровій графіці теж існують лінії, але їх розглядають, як комбінацію точок. Для кожної точки в растровій графіці відводять одну або кілька клітинок пам’яті (чим більше кольорів можуть мати точки, тим більше клітинок їм відводять). Отже, чим довше растрова лінія, тим більше пам’яті вона займає.

Щоб запобігти цій проблемі, винайшли так званий векторний спосіб кодування зображення. Він полягає в тому, що геометричні фігури, криві та прямі лінії, з яких складається малюнок, зберігаються в пам’яті комп’ютера у вигляді математичних формул і геометричних абстракцій: коло, квадрат, еліпс тощо.

Наприклад, коло з радіусом R=10 одиниць і координатами центра в точках х=1, у=1 можна записати у пам’яті комп’ютера у вигляді трьох параметрів: (х, у, R). Прямокутник зі сторонами 5 і 8 одиниць і координатами центра х = 4, у = 12 можна записати у вигляді 4 параметрів (х, у, а, в).

Отже, розміри, кривизна і місцезнаходження елементів зображення зберігаються у вигляді числових коефіцієнтів. Що б ми не робили з цим зображенням, змінюються тільки його параметри, що зберігаються в клітинках пам’яті. Кількість клітинок не змінюється для будь-якої лінії (наприклад, два різних за величиною кола записують однаковою кількістю параметрів).

Завдяки цьому з’являється можливість масштабувати зображення за допомогою простих математичних операцій (наприклад, для збільшення або зменшення зображення треба помножити параметри графічного елемента на коефіцієнт пропорційності).

Лінія – елементарний об’єкт векторної графіки. Все, що є у векторних ілюстраціях складається з ліній. Об’єкти векторної графіки зберігають в пам’яті наборами параметрів, але на екран всі зображення виведено у вигляді точок (так влаштований екран).

Переваги векторної графіки:

1. Файли, що зберігають векторні малюнки за розміром в 10-1000 разів менші, ніж аналогічні графічні растрові файли (для зберігання одного об’єкта у векторному форматі достатньо 20-30 байт оперативної пам’яті; досить складні композиції, які містять тисячі об’єктів, займають лише десятки і сотні Кб);

2. Векторна графіка повністю використовує всі переваги розподілених характеристик того конкретного пристрою, на який виводиться малюнок (векторні команди «повідомляють» пристрої виведення про необхідність намалювати об’єкт заданого розміру, використовуючи стільки точок, скільки можливо, тобто чим більше точок зможе використати пристрій для створення об’єкта, тим краще він виглядатиме);

3. Векторна графіка уможливлює легке редагування окремих об’єктів у малюнку, не впливаючи на інші частини;

4. У векторній графіці легко розв’язують питання масштабування (в будь-який момент можна перетворити зображення в будь-який розмір, не втрачаючи якості).

Основним недоліком векторної графіки є «неприродність» малюнка. Природа уникає прямих ліній, і не кожний малюнок можна скласти з кіл і прямих без втрати якості. Через це векторну графіку в основному використовують для побудови креслень, стилізованих малюнків, значків тощо.

Фрактальна графіка, як і векторна, задається формулами, але відрізняється від неї тим, що ніякі об’єкти в пам’яті комп’ютера не зберігаються. Зображення будують за рівняннями (чи за системами рівнянь), тому нічого, крім формул не треба зберігати. Змінивши коефіцієнти у рівняннях, можна отримати іншу картину на екрані комп’ютера.

Самоподібним(фракталом) називають компактну, замкнену множину простору Rⁿ, самоподібна розмірність якої є дробовим числом, але, зрозуміло, що для усвідомлення цього означення, потрібний досить високий рівень математичної підготовки, який може мати не кожна людина, тому обмежимося прикладами фрактальної графіки. Найпростішим фрактальним об’єктом є фрактальний трикутник. Він будується так: кожну сторону рівностороннього трикутника з довжиною 1 одиниця ділимо на три рівні частини. Посередині кожної сторони на відрізочках, що утворилися довжиною 1/3 від одиниці, будуємо рівносторонні трикутники зі стороною 1/3 від одиниці тощо. Трикутники «наступних поколінь» наслідують властивості своїх «батьківських» структур. Так «народжується» фрактальна фігура.

За способом створення комп’ютерну графіку можна розділити на двовимірну та тривимірну. У двовимірній графіці (2D-графіці) зображення будується з використанням плоских геометричних моделей, тексту та растрових даних

Цей тип графіки, насамперед, призначено для застосування у галузях, пов’язаних із традиційними технологіями друкування (видавнича та рекламна діяльність, картографія, фотографія, розроблення креслень тощо), а також для публікації в мережі Інтернеті та створення інтерфейсу користувача.

У тривимірній комп’ютерній графіці (3D- графіці) на відміну від двовимірної, у комп’ютері зберігаються тривимірні геометричні дані об’єктів. Під час відтворення тривимірної графіки на екрані комп’ютера будується геометрична проекція тривимірної моделі на площину екрану. Цей процес називають рендерингом або візуалізацією. У результаті може бути згенероване як одне зображення, так і їх послідовність (якщо мова йде про створення фільму). Рендеринг потребує дуже складних обчислень, особливо якщо необхідно створити ілюзію реальності.

Галузі застосування тривимірної графіки — кінематограф, телебачення, комп’ютерні ігри, моделювання об’єктів у промисловості тощо.