КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

Компьютерная графика – это раздел информатики, связанный с визуализацией информации и освещающий методы представления и хранения ее в памяти компьютеров.

Курс “Компьютерная графика” изучается при подготовке специалистов большого числа самых разнообразных профессий. Компьютерная графика в современном обществе – это базовый инструмент для таких специалистов, как инженер, строитель, архитектор, дизайнер, конструктор, художник, научный работник.

ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ И ПАЛИТРЫ

Цветовые модели (ЦМ) – это система представления цветов с помощью ограниченного числа красок, доступных на устройствах печати или мониторах. Иногда ЦМ называют режимом изображения. В разных ЦМ результирующие цвета получаются по различным формулам. Не следует путать ЦМ с палитрами, которые используют в различных графических редакторах.

Палитра – это определенный набор цветов, составленных на основе ЦМ. Цвета палитры получаются смешением компонентов цветовой модели. Не следует путать также ЦМ с форматом графических файлов. Форматы определяют только способы кодирования изображения при его записи на диск.

Например, файл с названием 001.gif может иметь такие параметры: цветовая модель – RGB, палитра – Web safe, тип изображения – растровый, формат файла – GIF.

Существует два класса ЦМ:

1) Разностные, или субтрактивные (например – CMYK).

2) Аддитивные или основанные на сложении цветов (например – RGB).

Если первые модели ориентированы на полиграфию, то вторые – на экранное представление изображений.

Модель CMYK – базовая для многослойной печати. (Cyan – бирюзовый, Magenta – пурпурный, Yellow – желтый, blaK – черный). При печати используются полупрозрачные чернила, яркость и интенсивность которых меняется в результате послойного накладывания.

Модель CMY – непрофессиональная, “экономичная” модель для печати, без использования черных чернил. Черный цвет получается смешением других базовых цветов.

Модель RGB – базовая для представления цвета на мониторе. Интенсивность каждого из трех базовых цветов имеет 256 градаций.

Модели HSB, HSV, HLS – созданы с целью скопировать восприятие цвета человеческим глазом. (Hue – тон, Saturation – насыщенность, Brightness – яркость, Value – величина, Lightness – светлость). Используется реже, чем RGB.

Модель YIO – компьютерный вариант американского телевизионного стандарта. Цвет описывается только яркостью и двумя хроматическими компонентами. Для печати эта ЦМ не приспособлена.

Модель LAB – относительно новая ЦМ. Подходит и для печати, и для экрана, содержит информацию о яркости и о соотношении интенсивностей green, blue, red, yellow. Редко применяется дизайнерами из-за своей “новизны”, хотя ее универсальность и аппаратная независимость выше, чем у других моделей.

Модель Gray Scale – имеет один цветовой канал (черный) и обычно 256 градаций серого тона. Монохромные палитры возможно использовать даже без градаций на оттенки.

 

Коротко о палитрах. В растровом графическом файле приходится задавать значения цвета для каждого пиксела (точки). Для уменьшения объема необходимой информации можно ограничить количество используемых цветов (цвета могут быть любыми) и хранить уже не значение цвета, а его номер в определенном коде и пересчитывать его в RGB при загрузке в графический редактор или программу просмотра.

Как правило, удобнее и проще бывает пользоваться встроенными в профессиональные графические редакторы палитрами по умолчанию: Default CMYK для печати и Default RGB для экранного представления. Особо следует остановиться на безопасной для показа браузерами палитре. Эта небольшая палитра Web safe – всего 216 цветов – встроена в Internet Explorer для ускорения загрузки страниц, ее не надо пересылать по сети Интернет. Если ваш цвет не попадает в безопасную палитру, он будет создан браузером посредством смешения существующих в палитре цветов и скорее всего будет безнадежно испорчен. Например, браузер покажет желтый цвет с редкими точками зеленого, чтобы передать оттенок. Поэтому при подготовке изображения для Интернета нужно обязательно использовать эту палитру, чтобы снизить риск искажения цветов.

Палитра 1 бит дает черно-белое изображение, самое экономное в смысле размера файла. Палитра состоит всего из двух цветов – черного и белого. Пригодна даже для высокой печати. Перевод изображения в эту палитру заключается в определении порога перехода между белым и черным.

Палитру из 256 оттенков серого (256 shades of gray) рекомендуется применить совместно с форматом файла TIFF.

Палитры PANTONE хорошо подходят для последующего цветоделения, но в системе CMYK их применяют реже, чем палитру по умолчанию. После цветоделения получится изображение, наиболее качественно передающее оттенки, созданные в графическом редакторе, и подходящее к тому процессу печати, который вы собираетесь использовать.

Вообще же палитр различных систем насчитываются десятки.

КОМПЬЮТЕР ДЛЯ ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ

 

Из общего курса информатики вы должны знать, что основными типами современных вычислительных систем являются мэйнфреймы, супер компьютеры, мини-ЭВМ, рабочие станции, персональные компьютеры (ПК), карманные ЭВМ (КПК) и умные телефоны (смартфоны).

Практически любой современный компьютер можно приспособить для несложных графических работ.

Из всех типов компьютеров наиболее мощные специализированные на графике системы относятся к классу рабочих станций. Это графические рабочие станции, которые по своей производительности сравнимы с лучшими суперкомпьютерами 5 – 10-летний давности. Основной сферой применения рабочих станций является сложная трехмерная графика.

Мировым лидером в производстве графических рабочих станций является Hewlett-Packard. Одна из последних настольных рабочих станций этой фирмы – НР с8000 содержит 4 процессора, поддерживает лучшие графические адаптеры и объем оперативной памяти до 32 Гб. Операционная система – НР-UX.

Еще более впечатляют возможности графических станций другого мирового лидера – Silicon Graphics. Так, ее компьютер Prism содержит от 2 до 8 центральных процессоров, от 2 до 4 графических процессоров, поддерживает объем оперативной памяти до 96 Гб. Операционная система – Linux. К этому следует добавить возможность одновременной работы двух пользователей с двумя огромными 10 мегапиксельными мониторами. Это позволяет отнести Prism не к типу графических рабочих станций, которые традиционно однопользовательские, а уже к типу мини-ЭВМ, которые являются многопользовательскими. А Prism Extreme Level с его 256 CPU, 16 GPU и памятью до 3000 Гб можно смело считать современным графическим суперкомпьютером.

Из класса персональных компьютеров наиболее приспособленными к выполнению графических работ традиционно считаются Apple. Они выполняются в виде настольных систем или даже ноутбуков.

 

 

ГРАФИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА

ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

 

Когда неспециалиста просят рассказать о важнейших составных частях ПК, ответ звучит примерно так: “Компьютер (в лучшем варианте – системный блок, в худшем варианте – коробка) и экран (в лучшем варианте – монитор, в худшем варианте – телевизор)”. Такой ответ в лучшем своем варианте может быть правильным не только для настольного исполнения ПК, но даже для комплектации типа Notebook.

Монитор – это основное устройство для отслеживания процессов, происходящих в ПК. В принципе, пользоваться компьютером можно и без монитора, вслепую. Для этого надо просто хорошо знать последовательность команд, которые выполняет пользователь, например, для ввода текста. Если эту последовательность действий безошибочно выполнить, то информация будет сохранена. Естественно, такой способ ввода информации практически не имеет смысла, так как любая ошибка не может быть оперативно обнаружена.

Наиболее распространенный тип мониторов для настольных ПК – с электронно-лучевой трубкой. Внешне такой монитор похож на телевизор. К современному ПК можно подключить “плоский” монитор, созданный по жидкокристаллической  или газоплазменной технологии. Практически все мобильные компьютеры – ноутбуки – оснащены жидко-кристаллическими (LCD) мониторами.

Монитор хотя и является основной частью графической подсистемы (видеоподсистемы) компьютера, но это не единственная ее часть. Монитор невозможно даже подключить к системному блоку, если последний не оснащен видеоадаптером (или видеоконтроллером, или видеокартой – это все синонимические названия одного и того же устройства). Обычно в современных настольных IBM-совместимых компьютерах видеокарта вставляется в специальный AGP-разъем системной платы. В более старых ПК вместо AGP использовалась шина PCI,

Единая для всех контроллеров. Новейшие настольные компьютеры оснащаются более быстрой, чем AGP, шиной PCI Express, и соответствующие видеоплаты (PCI-E) устанавливаются именно в ее слот.

 

 

ФОРМАТЫ ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛОВ

 

Формат – это внутренняя структура соответствующего файла.

Очень многие графические редакторы сохраняют файлы в собственных форматах, непонятных для других программ (PhotoShop – PSD, Corel Draw – CDR…). Но существует множество универсальных форматов, способных восприниматься большинством программ. Все форматы делятся на растровые и векторные.

Растровые форматы хранят информацию о каждой отдельной точке изображений.

Векторные хранят информацию о геометрических фигурах в виде математических формул.

 

Растровые форматы

 

*.BMP – не поддерживает встроенные архиваторы, имеет огромные размеры;

– *.Gif максимальное количество оттенков 256, архивация строится по принципу записи длинных горизонтальных линий одинакового цвета. Некоторые разновидности gif позволяют хранить карту прозрачности и анимацию;

– *. JPEG (JPG) – используют алгоритм сжатия, увеличивающий раствор пиксела, количество пикселов в файле уменьшается практически без потери качества;

– *. PNG – обладает достоинствами JPG и умеет сохранять прозрачность, используется из-за привычки к  JPG;

– *. TIFF – универсальный формат поддержки модели RGB, он наиболее полно сохраняет основные параметры изображения и имеет встроенный архиватор. Его низкое распространение связано с тем, что он не поддерживается многими Интернет-браузерами.

 

Некоторые из перечисленных форматов имеют разновидности. Например: Gif 69а и Gif 67а поддерживают анимацию.

Многие растровые редакторы сохраняют изображения в собственных форматах. Эти файлы обычно имеют огромные размеры не только по сравнению с JPEG, но даже по сравнению с ВМР! Это не значит, однако, что не имеет смысла сохранять изображения в этих форматах, так как только они позволяют хранить результаты преобразований для дальнейшей работы. Например: в PSD можно сохранять информацию о слоях, специальных эффектах (таких, как текстуры, освещение) и т.д.

 

Векторные форматы

 

Векторные изображения гораздо экономичней, чем растровые; их удобно редактировать, так как нет необходимости в выделении контуров объектов. Все объекты – это не точки, а геометрические фигуры. Однако, в чисто векторных форматах невозможно хранить, например, фотографии.

Следует понимать, что современные векторные редакторы позволяют работать и с растровыми изображениями, а растровые редакторы имеют в своем составе векторные инструменты (например, контуры). Векторные форматы разных редакторов несовместимы, но широко распространены, так как векторные редакторы средствами экспорта или импорта могут преобразовывать одни форматы в другие. Универсальный векторный формат – EPS (Encapculatel Post script). На практике удобнее использовать такие специализированные форматы, как CDR или AI.

Наиболее эффективна векторная графика в Интернет-анимации. Один из лучших векторных аниматоров Macromedia Flash. Его собственный формат хранится в файлах с расширением *.fla (возможность редактирования), а универсальный формат для просмотра браузерами – .Swf. Flash позволяет сохранять анимации в видеоформате *.avi и в виде gifanimation.

Необычен графический формат PDF. Он разработан фирмой Adobe и предназначен, прежде всего, для хранения электронных книг. Для просмотра используется программа Acrobat.

Формат SVG также является универсальным. Он допускает сжатие. Шрифты и пикселные изображения можно внедрить в файлы SVG или присоединить к нему.

Векторную природу имеют форматы трехмерных графических редакторов и систем автоматизированного проектирования. Трехмерные редакторы имеют собственные форматы, например, .3DS, .MAX (для 3D Studio Max); .Pln (для Archicad).

Иногда допустимо даже взаимодействие трехмерных и плоских векторных редакторов через экспорт/импорт файлов. Например, Corel Draw может сохранять в формате .DWG или .DFX (для браузера чертежей AutoCAD).

Предпочтительным форматом для обмена графическими файлами является EPS, в который можно экспортировать иллюстрацию практически из любого современного графического редактора. Допускаются такие широко распространенные форматы растровой графики, как TIFF, GIF, JPG, BMP, а также векторные форматы пакетов Corel Draw (CDR). Adobe Illustrator (AI). Corel Xara (XAR). Последние выгодно отличаются меньшим размером по сравнению с растровыми файлами, однако часто вызывают сложности со шрифтами надписей, которые упорно не желают воспроизводиться по-русски на другой машине, поэтому все-таки лучше EPS или растровые файлы.

Отдельная тема – это графики, подготовленные в Microsoft Excel или Word for Windows. Для их конвертации в другой формат можно применить следующий метод. Нужно выделить иллюстрацию в таблице или документе, скопировать ее в буфер (Правка/Edit – Копировать/Copy), а затем, запустив поставляемый с Windows графический редактор Paint, вставить изображение (Правка/Edit – Вставка/Paste) и записать файл на диск, выбрав формат GIF или JPG. Аналогичным образом иллюстрации из Excel или Word можно конвертировать через другие графические редакторы. В последнем случае представляется возможность “причесать” графики выбранным редактором, если их вставлять туда через “специальную вставку”/“paste special” с последующим выбором формы переноса Windows metafile/Enhanced Windows metafile.

 

Таблица 1. Векторные форматы графических файлов*

 

Название формата Программы, которые могут открывать файлы
DXF (Drawing Interchange Format) Все программы САПР, многие векторные редакторы, некоторые настольные издательские системы. Формат взаимообмена чертежами. Владелец – Autodesk, основное приложение AutoCAD.
EPS (Encasulated PostScript) Большинство настольных издательских систем и векторных программ, некоторые растровые программы. Для обмена графическими данными.
WMF (Windows MetaFile) Большинство приложений Windows. Выводит изображение на графическое устройство (экран, принтер)
CGM (Computer Graphics Metafile ) Большинство программ редактирования векторных рисунков, САПР и издательские системы.
HPGL Используется для управления плоттерами и лазерными принтерами.

 

Таблица 2. Растровые форматы графических файлов*

 

Название формата
Программы, которые могут открывать файлы
BMP (Windows Device Independent Bitmap) Все программы Windows, которые используют растровую графику.
PCX

(Z – Soft Paint Brush)

Почти все графические приложения. Деловая графика – изображения с большими областями повторяющегося цвета
GIF (Graphic Interchange Format) Почти все растровые редакторы; большинство издательских пакетов; векторные редакторы, поддерживающие растровые объекты. Передача графических данных в режиме OnLine по компьютерным сетям
TIFF (Tagged Image File Format) Большинство растровых редакторов и настольных издательских систем; векторные редакторы, поддерживающие растровые объекты.
FIF (Fractal Image Format) Для фрактальной графики
TGA (True Vision Targa) Растровые редакторы, использующиеся в профессиональных системах компьютерной графики и видеомонтажа
IMG (Digital Research GEM Bitmap) Некоторые настольные издательские системы и редакторы изображений Windows
JPEG (Joint Photographic Experts Group) Последние версии растровых редакторов; векторные редакторы, поддерживающие растровые объекты. Разработан для использования в области фотографии

* – таблицы не претендуют   на полноту сведений и приведены для систематизации знаний.

 

 

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ В ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРАХ

 

В любом графическом редакторе обычно необходимо выполнять следующие действия:

– создание нового или открытие существующего файла;

– активизация пункта меню программы;

– запуск команды или инструмента на выполнение;

– выделение объекта или области (например, щелчком мыши на объекте или созданием контура выделения (рамки). Это делается для того, чтобы применять какие-либо инструменты и эффекты не ко всему изображению, а только в нужной области;

– наложение эффекта либо активизация инструмента щелчком мыши на его обозначении в панели и работа с этим инструментом;

– снятие выделение с объекта;

– сохранение файла.

При описании работы часто встречаются некоторые специфические термины:

щелчок мыши (клик) – однократное нажатие и отпускание левой кнопки мыши;

двойной щелчок мыши – быстрое выполнение двух щелчков подряд;

перетаскивание объектов – фиксация объекта нажатием левой кнопки мыши и перемещение мыши с нажатой кнопкой в нужное положение. Только после этого кнопка мыши отпускается;

выделение группы объектов и выделение рамкой – в большинстве программ для выделения группы объектов можно просто последовательно щелкать мышью на объектах при нажатой клавише <Shift> или <Ctrl>. В режиме выделения рамкой следует установить мышь в некоторой точке, нажать левую кнопку и, не отпуская, начать перемещать мышь. При этом появится пунктирная рамка, которая и будет ограничивать область выделения. Когда рамка достигнет нужных размеров, отпустите кнопку мыши. В результате все объекты, попавшие в область рамки, окажутся выделенными;

меню – список команд, появляющийся на экране;

палитра – специальное окно, в котором собраны элементы управления, предназначенные для выполнения операций обработки изображения и настройки параметров инструментов и команд. Как правило, их можно свободно перетаскивать по экрану мышью и объединять друг с другом в удобной для вас комбинации, а при желании их положение можно зафиксировать;

панель инструментов – представляет собой набор кнопок инструментов, собранных в вертикальном столбце или горизонтальной строке. В каждой ячейке такой панели может быть несколько инструментов (вложенная панель);

панель атрибутов (или свойств) – палитра параметров активного инструмента;

строка состояния – находится внизу окна и содержит информацию о документе и параметрах выполняемой команды;

контекстное меню – появляется на экране при щелчке правой кнопкой мыши на объекте и содержит набор команд, доступных для него в данный момент;

горячие клавиши и клавиатурные сокращения – это средства ускорения обращения к командам и инструментам. Горячая клавиша инструмента обычно указана рядом с его названием в меню. Чтобы воспользоваться ею, следует активизировать палитру инструментов и нажать указанную клавишу. Вызов команды меню по горячей клавише требует нажатия и удержания клавиши <Alt>; горячая клавиша команды обозначается подчеркиванием в ее имени. Кроме того, многим командам назначаются специальные сочетания клавиш.

 

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

 

Для создания и обработки графики на компьютере необходимо следующее программное обеспечение (ПО):

1. Операционная система (ОС) – комплекс программ, предназначенный для эффективного использования всех средств ЭВМ в процессе решения задачи и организации взаимодействия пользователя с ЭВМ. ОС могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами. Хорошо известны своими специализированными программами для обработки графики такие ОС, как HP-UX, MacOS, Windows. В России наиболее широко распространены ОС типа Windows фирмы Microsoft. Это связано не с высоким качеством ОС этого производителя ПО, а с огромным количеством самых разнообразных прикладных программ, разработанных для этой ОС другими производителями. Следует понимать, что программа, разработанная для конкретной ОС, как правило, не работает под управлением другой ОС.

2. Драйверы – программы, необходимые для работы с какими-либо внешними устройствами. Например, для работы со сканером нужна программа, которая называется драйвер сканера. Некоторые драйверы для самых распространенных стандартных устройств входят в поставку ОС. Некоторые устройства могут эксплуатироваться только со специализированными драйверами, Такие драйверы поставляются на дисках в комплекте с новыми устройствами или могут быть переписаны из Интернета с сайта-страницы производителя устройства. В каждом компьютере одновременно используются от нескольких драйверов различных устройств до нескольких десятков таких драйверы, так как под внешними устройствами подразумеваются и такие устройства, как модемы, TV-тюнеры, звуковые платы, которые физически находятся внутри системного блока как адаптеры, вставляемые в разъемы материнской платы.

3. Прикладные программы – программы, необходимые для выполнения конкретных графических задач. Эти программы должны быть приспособлены, во-первых – для конкретного типа ЭВМ, во-вторых – для конкретного типа ОС, совместно с которой они используются. В условиях России на рынке прикладных программ подразумевается, что будет использоваться IBM-совместимый персональный компьютер с ОС MS Windows.

Различных графических прикладных программ насчитываются тысячи и сотни тысяч разновидностей. Все они предназначены, прежде всего, для обработки изображений. По назначению программы делятся на следующие типы:

1. Графические редакторы.

2. Системы распознавания текстов.

3. Векторизаторы, а точнее системы преобразования обычных точечных изображений в более компактную векторную форму.

4. Системы компьютерной анимации.

5. Системы автоматизированного проектирования.

6. Издательские системы.

7. Офисная графика.

8. Web-редакторы.

9. Системы видеомонтажа и спецэффектов.

По условиям легального распространения программы подразделяются на следующие типы:

1. Платные.

2. Условно-бесплатные (чаще всего бесплатно использовать такую программу разрешено определенное время или определенное число раз).

3. Свободно распространяемые (распространяемые на условиях специального соглашения между распространителями и потребителями программ). Другое название таких программ – shareware.

4. Бесплатные (программы в этом случае распространяются их создателями с целью собственной рекламы).

5. Тестовые (иногда разработчик программы сам платит потребителю нового продукта для того, чтобы потребитель выявил возможные недостатки и сообщил о них разработчику).

К сожалению, в условиях России подавляющее большинство используемых графических программ не принадлежит ни к одному из перечисленных типов. Почти все используемые программы являются бесплатно полученными версиями платных программ, взломанных и распространенных пиратским способом. Именно поэтому у нас почти нет собственных разработчиков ПО, существующие разработчики влачат нищенское существование, а конечного потребителя все равно рано и ли поздно заставят заплатить деньги за потребленный продукт.

КОММЕНТАРИИ