Методи створення графічних зображень (Інформатика - 11 кл.)

Починаємо вивчати модуль "Графчний дизайн" 

Завдання для дистанційного навчання:

1. Опрацюйте теоретичний матеріал, що міститься у §1

2. Зробіть у зошитах конспект прочитаного:

ВСТУП

Як правило, зображення на екрані комп'ютера створюються за допомогою графічних програм. Ці програми зазвичай поділяються на три категорії:

- програми для створення ілюстрацій (векторні)

- програми редагування зображень (растрові)

- програми для створення тривимірних зображень.

Можливості графічних програм різні, проте існують загальні принципи в основі їх побудови.

Існують дві найбільш поширені категорії графічних програм. Растрові програми працюють з сотнями і тисячами точок, які формують малюнок. Точки «не знають», які об'єкти (лінії, еліпси і т. д.) вони представляють. З іншого боку, векторні програми зберігають інформацію про об'єкти, що складають зображення, у вигляді математичних описів. Спосіб представлення зображення дуже впливає на якість редагування, друку, а також обсяг займаної пам'яті. Тому знання про те, як описуються об'єкти, допоможуть зрозуміти, чому картинка друкується неправильно або займає багато місця на диску, а також - чому при обертанні фрагмента зображення області однотонної зафарбовування іноді покриваються «муаровим» візерунком.

 Колір і методи його опису.

Ми бачимо предмети тому, що вони випромінюють або відбивають світло. Так як колір може утворитись і в процесі випромінювання і в процесі відбивання, існують різні методи його опису. Розуміння того, що насправді являє собою колір і як він створюється за допомогою комп'ютера, допоможе вирішити багато проблем. Наприклад, чому надрукована картинка не виходить такою, як на екрані.

Формати графічних файлів.

Проблема збереження зображень для подальшої їх обробки надзвичайно важлива. Єдиного формату для зберігання графічних файлів, придатного для всіх додатків, немає і бути не може. Однак деякі формати стали стандартними для цілого ряду предметних областей. Уміння розбиратися в особливостях форматів графічних файлів має велике значення для ефективного зберігання зображень і організації обміну даними між різними додатками.

Наприклад, Adobe PhotoShop - найпопулярніша в світі програма редагування растрових зображень. Вона використовується для ретушування, тонової і колірної корекції, а також з метою побудови колажів, в яких фрагменти різних зображень зливаються разом для створення цікавих і незвичайних ефектів.

 

§1. Методи створення графічних зображень

 У цьому розділі:

• принцип растрової графіки;

• основні поняття растрової графіки;

• гідності растрової графіки;

• недоліки растрової графіки;

• опис малюнків в векторних програмах;

• гідності векторної графіки;

• недоліки векторної графіки;

• особливості растрових і векторних програм.

 Растрова графіка

Растрове зображення являє собою мозаїку з дуже дрібних елементів - пікселів. Растровий малюнок схожий на аркуш паперу у клітинку, на якому кожна клітинка зафарбована певним кольором, і в результаті такого розфарбовування формується зображення.

Принцип растрової графіки надзвичайно простий. Він був винайдений і використовувався людьми за багато століть до появи комп'ютерів. По-перше, це такі напрямки мистецтва, як мозаїка, вітражі, вишивка. У кожній із цих технік зображення будується з дискретних елементів. По-друге, це малювання «по клітинках» - ефективний спосіб перенесення зображення з підготовчого картону на стіну, призначену для фрески.

Створення зображення в растровому графічному редакторі схоже на роботу художника, коли він пише картину на цьому полотні справжніми фарбами. Тут комп'ютерний художник водить «пензлем» - курсором миші по «електронному полотну» - екрану, зафарбовуючи кожен з пікселів малюнка в потрібний колір. Таким чином кожному пікселю присвоюється колір. Цей колір закріплюється за певним місцем екрану і як би «висихає» подібно до того, як висихає фарба на цьому полотні. Переміщення фрагмента зображення «знімає» фарбу з електронного полотна і, отже, руйнує малюнок.

Растрова графіка працює з сотнями і тисячами пікселів, які формують малюнок. Пікселі «не знають», які об'єкти (лінії, еліпси, прямокутники і т. д.) вони складають.

У комп'ютерній графіці термін «піксель», взагалі кажучи, може позначати різні поняття:

• найменший елемент зображення на екрані комп'ютера;

• окремий елемент растрового зображення;

• точка зображення, надрукованого на принтері.

Тому, щоб уникнути плутанини, будемо користуватися наступною термінологією:

• відеопіксель - найменший елемент зображення на екрані;

• піксель - окремий елемент растрового зображення;

• точка - найменший елемент, створюваний принтером.

При цьому для зображення одного пікселя на екрані комп'ютера може бути використаний один або кілька відеопікселів.

Екран дисплея розбитий на фіксоване число відеопікселів, які утворюють графічну сітку (растр) з фіксованого числа рядків і стовпців. Розмір графічної сітки зазвичай представляється у формі N x M, де N - кількість відеопікселів по горизонталі, а М - по вертикалі. У сучасних дисплеях використовуються, наприклад, такі розміри графічної сітки: VGA (640 х 480), SVGA (800 х 600, 1024 х 768, 1240 х 1024), HD (1366x768); Full HD (1920x1080) і ін. Зображення на екрані дисплея створюється шляхом вибіркового засвічування електронним променем певних відеопікселів екрану. Щоб зображення могло сприйматися оком, його необхідно скласти з сотень або тисяч відеопікселів, кожен з яких повинен бути підсвічений.

 Переваги растрової графіки

1. Якщо розміри пікселів досить малі (наближаються до розмірів відеопікселів), то растрове зображення виглядає не гірше фотографії. Таким чином, растрова графіка ефективно представляє зображення фотографічної якості.

2. Комп'ютер легко управляє пристроями виведення, які використовують точки для подання окремих пікселів. Тому растрові малюнки можуть бути легко роздруковані на принтерах.

Недоліки растрової графіки

1. У файлі растрового зображення запам'ятовується інформація про колір кожного відеопікселя у вигляді комбінації бітів. Біт - найменший елемент пам'яті комп'ютера, який може приймати одне з двох значень: увімкнено або вимкнено (1 або 0). Найбільш простий тип зображення має тільки два кольори (наприклад, білий і чорний). У цьому випадку кожному відеопікселю відповідає один біт пам'яті (2¹). Якщо колір відеопікселя визначається двома бітами, то ми маємо чотири (2²) можливих комбінацій значень увімкнено/вимкнено. Використовуючи для значення вимкнено символ 0, а для включено - 1, ці комбінації можна записати так: 00, 01, 10, 11. Чотири біти пам'яті дозволяють закодувати 16 (2⁴) кольорів, вісім біт - 2⁸ або 256 кольорів, 24 біта - 2²⁴ або 16 777 216 різних колірних відтінків, 32 біта - 2³² або 4 294 967 296 колірних відтінків.

Прості растрові зображення займають невеликий обсяг пам'яті (кілька десятків або сотень кілобайт). Зображення фотографічної якості часто потребують кілька мегабайт. Наприклад, якщо розмір графічної сітки - 1920 х 1080, а кількість використовуваних кольорів - більше 4 мільярдів (32-бітна графіка), то обсяг растрового файлу складає 1920 * 1080 * 32 = 66 355 200 біт або близько 8 Мб (нагадаємо, що 8 біт складають 1 байт).

Таким чином, для зберігання растрових зображень потрібен великий обсяг пам'яті.

Зберігання таких зображень на сьогодні не є особливою проблемою (наприклад на «флешці» об'ємом 8 Гб можна розмістити до тисячі таких зображень). Однак для швидкісного передавання по мережі такі розміри графічних файлів є надмірними.

Розв’язання проблеми полягає в стисненні графічних файлів, тобто використання програм, що зменшують розміри файлів растрової графіки за рахунок зміни способу організації даних. Існує кілька способів стиснення графічних даних. У найпростішому з них послідовність повторюваних величин (в нашому випадку - набір біт для утворення відеопікселів) замінюється парою - єдиною величиною і кількістю її повторень. На малюнку показано, як подібним чином може бути стиснуто один рядок чорно-білого растрового зображення.

  

 

1

3

1

4

2

1

4

 

Такий метод стиснення найкраще працює з зображеннями, які містять великі області однотонного зафарбовування, але набагато гірше з його допомогою стискаються фотографії, тому що в них майже немає довгих рядків з однакових пікселів. Об'єднана група експертів по фотографії (Joint Photographic Experts Group) запропонувала інший метод для стиснення зображень фотографічної якості – JPEG.

2. Растрове зображення після масштабування або обертання може втратити свою привабливість. Наприклад, області однотонного зафарбовування можуть придбати дивний («муаровий») візерунок; криві і прямі лінії, які виглядали гладкими, можуть несподівано стати пилкоподібними.

 

Якщо зменшити, а потім знову збільшити до колишнього розміру растровий малюнок, то він стане нечітким і ступінчастим, а зафарбовані області можуть бути перекручені. Причина в тому, що зміна розмірів растрового зображення відбувається одним з двох способів:

• всі пікселі малюнка однаково змінюють свій розмір (одночасно стають більше або менше);

• пікселі додаються або видаляються з малюнка (це називається вибіркою пікселів у зображенні).

При першому способі масштабування зображення не змінює кількість вхідних в нього пікселів, але змінюється кількість елементів (відеопікселей або точок), необхідних для побудови окремого пікселя, і при збільшенні малюнка «ступінчастість» стає все більш помітною - кожна точка перетворюється в квадратик.

 

    

Вибірку ж растрового зображення може бути зроблено двома способами. По-перше, можна просто продублювати або видалити необхідну кількість пікселів. По-друге, за допомогою певних обчислень програма може створити пікселі іншого кольору, що визначається початковим пикселем і його оточенням. При цьому можливе зникнення з малюнка дрібних деталей і тонких ліній, поява «муарового» візерунка або зменшення різкості зображення (розмиття).

Так як графічний редактор Paint (стандартна програма Windows) є растровим, то в ньому легко продемонструвати результати масштабування зображень і пояснити причини спотворень, що виникають. Отже, растрові зображення мають дуже обмежені можливості при масштабуванні, обертанні і інших перетвореннях.

 Векторна графіка

У векторній графіці зображення будуються з простих об'єктів - прямих ліній, дуг, кіл, еліпсів, прямокутників, областей однотонного або змінюваного кольору (наповнювачів) тощо, які називаються примітивами. З простих векторних об'єктів створюються різні малюнки.

Комбінуючи векторні об'єкти-примітиви і використовуючи зафарбовування різноманітними кольорами, можна отримати і більш цікаві ілюстрації:

Векторні примітиви створюються за допомогою описів, наприклад:

• малювати лінію від точки А до точки В;

• малювати еліпс, обмежений заданим прямокутником.

Для комп'ютера подібні описи подаються у вигляді команд, кожна з яких визначає деяку функцію і відповідні їй параметри. Символічні команди для наведених вище прикладів описів у векторному форматі WMF (Windows Metafile) записуються так:

MOVE TO XI,Y1                 Встановити поточну позицію (XI, Y1).

LINE TO X2,Y2                   Намалювати лінію від поточної позиції до позиції (X2, Y2)

ELLIPSE X3,Y3,X4,Y4       Намалювати еліпс, обмежений прямокутником, де (ХЗ, Y3) - координати лівого верхнього, а (Х4, Y4) - правого нижнього кута цього прямокутника.

Інформація про колір об'єкта зберігається як частина його опису, тобто у вигляді векторної команди (порівняйте: для растрових зображень зберігається інформація про колір кожного відеопікселя).

Векторні команди повідомляють пристрою виведення про те, що необхідно намалювати об'єкт, використовуючи максимально можливе число елементів (відеопікселів або точок). Чим більше елементів використовується пристроєм виведення для створення об'єкта, тим краще цей об'єкт виглядає.

Хто ж складає послідовність векторних команд?

Для отримання векторних зображень, як правило, використовуються програми ілюстративної графіки (Adobe Illustrator, Inkscape, CorelDraw!), Які широко застосовуються в області дизайну, технічного малювання, а також для оформлювальних робіт. Ці векторні програми надають в розпорядження користувача набір інструментів і команд, за допомогою яких створюються малюнки. Одночасно з процесом малювання спеціальне програмне забезпечення формує векторні команди, що відповідають об'єктам, з яких будується малюнок.

Найімовірніше, що користувач такої програми ніколи не побачить векторних команд. Однак знання про те, як описуються векторні малюнки, допомагають зрозуміти переваги і недоліки векторної графіки.

Більшість векторних програм дозволяють тільки розмістити растровий малюнок у векторній ілюстрації, змінити його розмір, виконати переміщення і поворот, обрізку, однак змінити в ньому окремі пікселі неможливо. Справа в тому, що векторні зображення складаються з окремих об'єктів, з якими можна працювати окремо. З растровими ж зображеннями так чинити не можна, так як пікселі можна класифікувати подібним чином (об'єктом тут є весь растровий фрагмент в цілому). Піксель же має лише одну властивість - колір.

Переваги векторної графіки

1. Векторні малюнки, що складаються з тисяч примітивів, займають пам'ять, обсяг якої не перевищує декількох сотень кілобайт. Аналогічний растровий малюнок потребує пам'яті в 10-1000 разів більше. Таким чином, векторні зображення займають відносно невеликий обсяг пам'яті.

2. Векторні об'єкти подаються за допомогою описів. Тому, щоб змінити розмір векторного малюнка, потрібно виправити його опис. Наприклад, для збільшення або зменшення еліпса досить змінити координати лівого верхнього і правого нижнього кута прямокутника, що обмежує цей еліпс. І знову для малювання об'єкта буде використовуватися максимально можливе число елементів  (відеопікселів або точок). Отже, векторні зображення можуть бути легко масштабовані без втрати якості.

Недоліки векторної графіки

1. Прямі лінії, кола, еліпси і дуги є основними компонентами векторних малюнків. Тому до недавнього часу векторна графіка використовувалася для побудови креслень, діаграм, графіків, а також для створення технічних ілюстрацій. З розвитком комп'ютерних технологій ситуація дещо змінилася: сьогоднішні векторні зображення за якістю наближаються до реалістичних. Однак векторна графіка не дозволяє отримувати зображення фотографічної якості. Справа в тому, що фотографія - мозаїка з дуже складним розподілом кольорів і яскравостей пікселів і подання такої мозаїки у вигляді сукупності векторних примітивів - досить складне завдання.

2. Векторні зображення описуються десятками, а іноді й тисячами команд. В процесі друку ці команди передаються пристрою виводу (наприклад, лазерного принтера). При цьому може трапитися так, що на папері зображення буде виглядати зовсім інакше, ніж хотілося користувачеві, або взагалі не роздрукується. Справа в тому, що принтери містять свої власні процесори, які інтерпретують передані їм команди. Тому спочатку потрібно перевірити, чи розуміє принтер векторні команди даного стандарту, надрукувавши якийсь простий векторний малюнок. Після успішного завершення його друку можна вже друкувати складне зображення. Якщо ж принтер не може розпізнати будь-якої примітив, то слід замінити його іншим - схожим, але зрозумілим принтеру. Таким чином, векторні зображення іноді не друкуються або виглядають на папері не так, як хотілося б.

Порівняння растрової і векторної графіки

Критерій порівняння	Растрова графіка	Векторна графіка
Спосіб представлення зображення	Растрове зображення будується з безлічі пікселів	Векторне зображення описується в вигляді послідовності команд
Подання об'єктів реального світу	Растрові малюнки ефективно використовуються для подання реальних образів	Векторна графіка не дозволяє отримувати зображення фотографічної якості
Якість редагування зображення	При масштабуванні і обертанні растрових картинок виникають спотворення	Векторні зображення можуть бути легко перетворені без втрати якості
Особливості друку зображення	Растрові малюнки можуть бути легко роздруковані на принтерах	Векторні малюнки іноді не друкуються або виглядають на папері не так, як хотілося б

Особливості растрових і векторних програм

Графічні програми - це інструменти комп'ютерного художника, за допомогою яких він створює і редагує зображення. В даний час існує багато різних графічних програм. Тому важливо знати, яка програма найкращим чином підходить для вирішення конкретного завдання. Поліпшення якості зображень, а також монтаж фотографій виконуються в растрових програмах. Для створення ілюстрацій зазвичай використовуються векторні програми, які також називають програмами малювання.

Будь-яка графічна програма містить набір інструментів для роботи з зображеннями. Інструмент «Крива» ( «Пензель» або «Олівець») призначений для малювання прямих і кривих ліній. Інструменти «Прямокутник», «Еліпс», «Багатокутник» використовуються для побудови геометричних фігур. Зафарбування виконується інструментом «Заливка». Для створення написів і заголовків використовується інструмент «Текст». При роботі з зображенням часто виникає необхідність збільшити його фрагмент, щоб краще розглянути дрібні деталі. В цьому випадку потрібно скористатися інструментом «Масштаб». Незважаючи на те, що растрові і векторні програми можуть використовувати однакові інструменти, спосіб представлення створюваних ними зображень різний.

У графічних програмах реалізовані можливості, що дозволяють переміщувати, копіювати, видаляти, масштабувати, дзеркально відображати, обертати окремі частини зображень. Перш, ніж виконати операцію над фрагментом зображення, його необхідно виділити. У векторних програмах виділяють об'єкти (векторні примітиви), а в растрових - області (набори пікселів). Щоб виділити об'єкт, досить клацнути по ньому мишею. Виділення ж області - складніше завдання, так як в цьому випадку необхідно точно вказати, яка група пікселів становить область (наприклад, квітка або яблуко). Ось чому в растрових програмах зустрічаються різноманітні інструменти виділення. Деякі з них використовуються для виділення областей простої форми (прямокутників або еліпсів), інші - для областей зі складною криволінійною границею.

Так як основне поняття растрової графіки - піксель, більшість інструментів і команд растрових програм змінюють яскравість і колірні відтінки окремих пікселів. Це дає можливість покращувати різкість зображень, освітлювати або затемнювати окремі його фрагменти, а також видаляти невеликі дефекти (зморшки, подряпини тощо).

Основне поняття векторної графіки - об'єкт. Тому векторні програми містять команди упорядкування, взаємного вирівнювання, перетину об'єктів, виключення одних об'єктів з інших. Таким чином, можна створювати нові об'єкти складної форми з більш простих.

Як правило, в растрових і векторних програмах є засоби для отримання ефекту обсягу. Однак тривимірні образи реальних об'єктів (персонажі, інтер'єри тощо) слід створювати в програмах тривимірного моделювання.