Области использования компьютерной графики

Современный пользователь общается с компьютером посредством графического интерфейса. Графический интерфейс как посредник между человеком и машиной косвенно участвует во всех реализациях информационной технологии. Кроме этого существует множество направлений, где достижения компьютерной графики и геометрии играют принципиальную созидающую роль:

• системы автоматизации научных исследований, системы автоматизированного проектирования, системы автоматизации технологической подготовки производства, автоматизированные системы организации и управления производственными процессами, геоинформационные системы и др.;

• системы организации и управления бизнес-процессами;

• геометрическое моделирование объектов реального мира;

• компьютерная живопись и графика для печати и онлайновых изданий;

• создание статичных и анимированных изображений для Интернета;

• компьютерные издательские и полиграфические системы и другие приложения в области средств массовой информации;

• моделирование и изготовление одежды;

• архитектурное проектирование и строительство;

• системы виртуальной реальности; тренажеры и симуляторы, которые используются для подготовки специалистов в различных отраслях народного хозяйства;

• компьютерные игры и другие приложения в области развлечений.

Области применения средств компьютерной графики в книге не рассматриваются, поскольку они детально освещаются в специальной и научно-популярной литературе.

1.2. Растровая и векторная графика

Компьютер может обрабатывать данные только если они представлены в цифровом виде. Описание графических данных выполняется в соответствии с определенными правилами, совокупность которых часто называется форматом. Важнейшей частью любого графического формата является пространство, в котором расположены объекты сцены или элементы изображения.

В КГ используются два основных варианта описания графических данных, отличающихся количеством независимых координат, необходимых для определения положения графических объектов и их элементов:

• плоское, или двухмерное (2D), которое оперирует только двумя независимыми координатами:

• объемное, или трехмерное (3D), требующее задать три независимые координаты.

Двухмерная сцена может формироваться из объектов, расположенных как в координатной плоскости, так и из проекций всех видимых объектов на плоскость изображения. Компьютерная графика изобилует примерами плоских сцен: цифровые фотографии; сканированные рисунки и картины; изображения, созданные растровыми и двухмерными векторными редакторами.

Трехмерная КГ— одно из наиболее динамично развивающихся направлений информационных технологий. Трехмерное описание геометрии намного сложнее двухмерного, поэтому массовое применение достижений этой отрасли долгое время сдерживалось вычислительными возможностями персональных компьютеров. Основными заказчиками и потребителями трехмерной графики являются компьютерные игры, киноиндустрия, компьютерные тренажеры и симуляторы.

Множество способов представления графических объектов в памяти вычислительной системы можно разбить на два больших класса, существенно отличающихся базовыми принципами моделирования геометрии:

• геометрический объект представляется посредством координат характеристических точек и математических моделей кривых и поверхностей;

• геометрический универсум разбивается на множество элементарных областей (точек или объемов), а каждый объект представляется как множество занимаемых им областей дискретного пространства.

Наиболее известная модель первого класса называется векторной. В ней характеристические точки объекта соединяют отрезки прямых линий — векторы. Векторная модель может быть использована для представления плоских и пространственных объектов. Она лежит в основе многих популярных векторных графических форматов. Большинство современных пакетов (системы автоматизированного проектирования, пакеты изобразительной графики, автоматизированные системы научных исследований) используют для обработки графической информации векторное описание.

Известно много вариантов описания геометрии как набора элементов некоторого дискретного универсума. Большинство из них имеют либо теоретический интерес, либо очень узкую область применения. Наибольшее распространение в современных системах КГ получила так называемая растровая модель. В ней описываемое пространство покрывается регулярной сетью одинаковых двухмерных или трехмерных элементов. Элементы сетки имеют форму квадрата или прямоугольника (куба или параллелепипеда в трехмерном случае). Их принято называть пикселами (вокселами— для трехмерного пространства), а саму сеть — растром.

Совокупность элементов растра задает изображение, заполняя область пространства, которое этот объект занимает. Элементы растра независимые об разования, которые могут принимать любые значения цвета и тона из допустимого диапазона. Если размеры пикселов невелики, то наблюдатель воспринимает дискретную растровую картинку как целостный образ — фотографию или рисунок.

Многие популярные графические форматы предназначены для хранения растровых данных в самой простой редакции — в виде плоского массива однородных точек.В геоинформационных системах нашли применение другие модели пространственного разбиения, например регулярно-ячеистые, квадротомические и др.

Помимо растровых и векторных моделей иногда используют их сочетание — так называемые гибридные модели. Все эти модели при описании одной и той же области пространства могут быть взаимно преобразованы. Как правило, осуществить переход от векторного способа хранения изображения к растровому несложно. При таком преобразовании необходимо задать масштаб для пересчета координат векторов в пикселы. Обратный переход в общем случае является достаточно сложным и неоднозначным, поскольку связан с интеллектуальной интерпретацией точечных образов.

Выбор растрового или векторного формата зависит от поставленных целей и решаемых задач. Практически все современные устройства вывода графических изображений являются растровыми и отображают любое изображение в виде совокупности точек. Это, в частности, относится к самым распространенным представителям компьютерной периферии: мониторам и принтерам. На экране монитора или принтерном оттиске отображается растровый образ независимо от его исходной формы хранения, которая может быть векторной или растровой.

Векторный формат

Векторное представление графических данных предполагает наличие совокупности базовых геометрических элементов, называемых примитивами. Обычно это фигуры простой формы. Так, для создания плоских объектов используются прямоугольники, треугольники, овалы, прямые; для трехмерных фигур — кубы, параллелепипеды, сферы, эллипсоиды, конусы и др. Для всех перечисленных объектов известны математические модели, задающие их форму, положение и габаритные размеры. Кроме того, в векторном файле хранятся оформительские атрибуты примитивов: цвет, тип заливки, толщина граничного контура, окончание линии и др. Кривые сложной формы представляются в виде ломаной со звеньями, размеры которых не распознаются наблюдателем как прямые. Звенья ломаных называются векторами. Векторы задаются координатами начальной и конечной точек или координатами начала, длиной и направлением.

Объекты сложной геометрии образуются из базовых примитивов при помощи допустимого множества операций. В двухмерных векторных редакторах это множество ограничивается группированием, наложением и простейшими булевскими операциями. В трехмерных редакторах набор допустимых преобразований намного шире. В него могут входить регулярные булевские операции, заметание, смещение и вращение контура, а также множество других операций, зависящих от вида примитивов и системы моделирования.

Векторное описание отличается несколькими значимыми достоинствами. Оно позволяет задавать достаточно сложные изображения с высокой точностью. Благодаря этому векторные форматы широко используются в CAD-системах для геометрического моделирования технических объектов, когда необходимо детально представить форму и положение реальной машины или прибора.

Объекты, заданные в векторной форме, легко масштабируются, а точность их отображения определяется только параметрами устройства вывода. Как правило, такое описание намного компактнее, чем растровое, когда форма объекта задается множеством пикселов, заполняющих его периметр или объем.

Векторные объекты разрешается масштабировать в очень широких пределах без потерь визуального качества и точности моделирования.

К недостаткам векторных изображений относятся ограниченные возможности создания полных моделей для реальных сцен с учетом всего множества деталей обстановки. Кроме того, в векторной графике существуют серьезные проблемы с фотореалистичной визуализацией созданных моделей. Обычно недостатки векторных моделей компенсируются использованием технологий растровых моделей на этапе визуализации полученных изображений.

Растровый формат

Растровая модель представляет собой отображение непрерывного оригинала во множество элементов абстрактного дискретного пространства, называемого растром. Самый распространенный вариант этой парадигмы — это двухмерный растр, когда плоское изображение задается в виде множества точек регулярной ортогональной сеткой, состоящей из одинаковых элементов.

Двухмерная растровая графика — одно из самых популярных направлений КГ. Она поддерживает способ работы с цифровыми оригиналами, которые близки классическому рисованию или живописи. Простота растровой формы хранения данных обусловила широкое распространение растровых картинок в сети Интернет. Основным массивом графики, циркулирующим в сети, являются двухмерные растровые образы. Существуют и другие причины высокой популярности этого подхода— растровый принцип действия основной части устройств вывода {принтеров и мониторов).

Большая часть особенностей этой формы хранения графических данных связана с ее дискретностью. Только в растровой графике можно получить образ такого качества, который соответствует категории фотореалистичного. Причина этого заключается не в особых креативных свойствах растровых редакторов. Компьютерные образы высокой достоверности получаются оцифровкой реальных физических прототипов, а эта процедура создает только растровые изображения.

Размер растрового файла не зависит от содержимого отображаемой области. Уменьшить его можно с помощью алгоритмов сжатия. Если один оригинал представить в растровой и векторной формах, то в большинстве случаев первая форма потребует заметно больше дискового пространства, чем вторая.

Растровые изображения могут потерять качество в процессе геометрических преобразований, что особенно проявляется при масштабировании и повороте. Проведем простой мысленный эксперимент. Пусть растровое пространство представляет собой плоскость, обладающую способностью к бесконечному растяжению. Если значительно увеличить эту плоскость, то ее точки приобретут заметные размеры, а изображение — зернистую структуру.

В классическом растровом формате не существует понятия объекта. Для обрабатывающей программы нет овалов, линий, треугольников, а существуют только точки, которые для редактора совершенно независимы друг от друга. По этой причине для точечных изображений задачи идентификации и распознавания решаются с большим трудом, а часто и вовсе не имеют решения.

Несмотря на видимую простоту, в этом разделе компьютерной графики есть немало трудных для понимания тем.