Лекция по теме Представление и вывод графических данных

Лекция №5

Тема: Представление и вывод графических данных

Цель: Знать: - виды графических изображений, форматы, программы для создания и редактирования изображений.

Уметь: - различать растровый, векторный, трехмерный и фрактальный способ представления графических изображений.

Владеть: - приемами создания и обработки графических изображений средствами прикладных программ.

План:

1.   Понятие формата графических файлов, классификации форматов по основным признакам

2.   Сфера применения форматов, особенности, преимущества и недостатки

3.   Алгоритмы сжатия графических файлов: особенности, принцип сжатия, преимущества и недостатки

4.   Основные типы печатающих устройств

I. Понятие формата графических файлов, классификации форматов по основным признакам

Формат графического файла - способ представления и расположения графических данных на внешнем носителе.

Форматы компьютерной графики можно разделить на три типа: растровые, векторные и трехмерные (используются для 3D-графики). Наибольшее распространение получили растровые форматы, именно с их использованием сохраняются различные фотографии, а также другие графические изображения, которые можно увидеть, например, на web-сайтах.

Схема классификации форматов графических файлов приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация графических форматов

II. Сфера применения форматов, особенности, преимущества и недостатки

Сфера применения форматов растровой графики, особенности, преимущества и недостатки.

Форматы графических файлов:

1. BMP (Bit Map Image) – универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows.

2. GIF (CompuServe Graphics Interchange Format) — независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году (GIF 87a) фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности и анимации.

3. JPEG (Joint Photographic Experts Group). Строго говоря, JPEG – это не формат, а алгоритм сжатия, основанный на разнице между пикселями. Кодирование данных проходит несколько этапов.

4. PNG (Portable Network Graphics) – формат разработан для Сети с целью заменить формат GIF. Использует сжатие без потерь. Сжатые индексированные файлы PNG, как правило, меньше аналогичных GIF’ов.

5. TIFF (Tagged Image File Format). Аппаратно независимый формат TIFF, является одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают практически все программы на ПК и Macintosh так или иначе связанные с графикой.

6. PCX. Открывать или импортировать файлы PCX могут почти все графические приложения для персональных компьютеров. Цветовые возможности: 1, 2, 4, 8 или 24- битовый цвет, никаких оттенков серого.

Применятся для ретуширования, реставрирования фотографий, фотомонтаж, сканирование изображений.

Достоинства: Простота алгоритма оцифровки. Возможность оцифровывать изображения любой сложности (картины, фотографии и т.д.). Большое количество графических редакторов.

Недостатки: Чувствительность к масштабироанию: при увеличении – эффект пикселизации, при уменьшении – могут исчезнуть детали. Большой объем конечного файла, поэтому необходимы алгоритмы сжатия графических файлов.

Сфера применения векторной графики, особенности, преимущества и недостатки.

Изображение представляет собой набор геометрических примитивов (точек, прямых линий, окружностей, прямоугольников и т.д.)

Способ формирования изображения Компьютер хранит элементы изображения (линии, кривые, фигуры) в виде математических формул. При открытии файла программа прорисовывает элементы изображения по их математическим формулам (уравнениям).

В памяти ПК сохраняется 1. Математические формулы для геометрических примитивов. 2. Цвет, толщина и тип линий, с помощью которых прорисованы примитивы. 3. Способ заливки замкнутых контуров. 4. Порядок отображения объектов.

Достоинство: Векторное изображение масштабируется без потери качества: масштабирование изображения происходит при помощи математических операций: параметры примитивов просто умножаются на коэффициент масштабирования.

Достоинства векторной графики: минимальный объем файла, полная свобода трансформаций; аппаратная независимость; oбъектно-ориентированный характер векторной графики.

Недостатки векторной графики: отсутствие аппаратной реализуемости; программная зависимость; жесткость векторной графики.

Применение векторной графики: создание вывесок, этикеток, логотипов, эмблем и пр. символьных изображений, построения чертежей, диаграмм, графиков, схем, создание изображений с четкими контурами.

Форматы графических файлов:

1. CDR (CorelDRAW Document) - формат файлов, созданных при помощи графического редактора CorelDraw. Многие программы на ПК могут импортировать файлы CDR.

2. SWF - анимированные и способные выполнять сложные программы векторные изображения.

3. WMF. Формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена. Понимается практически всеми программами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. WMF искажает цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах.

4. AI (Adobe Illustrator Document). Может содержать в одном файле только одну страницу, имеет маленькое рабочее поле. AI отличается наибольшей стабильностью. AI поддерживают почти все программы так или иначе связанные с векторной графикой. Этот формат является наилучшим посредником при передаче векторов из одной программы в другую.

5. FH8 (FreeHand Document, последняя цифра в расширении указывает на версию программы). Формат понимает только сама программа FreeHand. Поддерживает многостраничность.

Сфера применения трехмерной графики, особенности, преимущества и недостатки.

3D-графика предназначена для имитации фотографирования или видеосъемки трехмерных образов объектов, которые должны быть предварительно подготовлены в памяти компьютера.

Области применения трехмерной графики

1. Компьютерное проектирование. К области автоматизированного проектирования относятся применения SD-графики в целях синтеза внешнего вида сложных отливок, деталей, изготовляемых методами штамповки, токарных и фрезерных операций, визуального облика проектируемых автомобилей, катеров, самолетов и т. п.

2. Компьютерные игры. Это одна из наиболее широких областей применения 3D-графики. По мере совершенствования программных средств моделирования трехмерной графики, роста производительности и увеличения ресурсов памяти компьютеров виртуальные трехмерные миры, в которых действуют персонажи компьютерных игр, становятся все более сложными и похожими на реальную действительность.

3. Комбинированная съемка. Трехмерная графика помогает там, где выполнение реальной фотосъемки невозможно, затруднительно или требует значительных материальных затрат, а также позволяет синтезировать изображения событий, которые не встречаются в обыденной жизни.

4. Компьютерная мультипликация. Областями использования 3D-графики для создания компьютерной мультипликации являются телевизионная реклама, киносъемка с включением анимационных эффектов, подготовка видеороликов на научно-популярные или фантастические сюжеты, создание видеотренажеров для обучения пилотов или автоводителей и т. п.

Достоинства трехмерной графики

- Реалистичность

- Широкая сфера применения

- Свобода трансформации объектов

Недостатки трехмерной графики

- повышенные требования к аппаратной части компьютера, в частности к объему оперативной памяти, наличию свободного места на жестком диске и быстродействию процессора;

- необходимость большой подготовительной работы по созданию моделей всех объектов сцены, которые могут попасть в поле зрения камеры, и по присвоению им материалов;

- необходимость контролировать взаимные положения объектов в составе сцены, особенно при выполнении анимации;

- необходимость принятия дополнительных мер, обычно применяемых на этапе вторичной обработки синтезированных изображений, чтобы «испортить» картинку, придав ей более правдоподобный вид. В связи с этим в состав программ трехмерной графики входит целый ряд фильтров, позволяющих имитировать такие эффекты как конечная глубина резкости изображений или смазывание, вызванное движением объектов в момент съемки.

Сфера применения фрактальной графики, особенности, преимущества и недостатки.

Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся перспективных видов компьютерной графики.

Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

Создатель фракталов — это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса, варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то есть творите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических редакторов (и в частности — Painter) от прочих графических программ.

Применение фрактальной графики можно назвать фактически повсеместным. Более того, эта область постоянно расширяется. На данный момент можно отметить следующие области: Компьютерная графика. Реалистично изображаются рельефы и природные объекты. Это применяется в создании компьютерных игр. Анализ фондовых рынков. Фракталы здесь используются для того, чтобы отметить повторения, которые впоследствии сыграют трейдерам на руку. Естественные науки. В физике с помощью фрактальной графики моделируются нелинейные процессы. В биологии она описывает строение кровеносной системы. Сжатие изображений, чтобы уменьшить объем информации. Создание децентрализованной сети. Посредством фракталов удается обеспечить прямое подключение, а не через центральное регулирование. Поэтому сеть становится более устойчивой. На данный момент практикуется применение фракталов в производстве различного оборудования. Например, уже запущен конвейер по созданию антенн, отлично принимающих сигналы.

Достоинства фрактальной графики заключаются в нескольких факторах: Небольшой размер при масштабном рисунке. Нет конца масштабированию, сложность картинки можно увеличивать бесконечно. Нет другого такого же инструмента, который позволит создавать сложные фигуры. Реалистичность. Простота в создании работ.

Недостатки фрактальной графики тоже присутствуют. Во-первых, без компьютера здесь не обойтись. Причем, чем длиннее количество повторений, тем больше загружается процессор. Соответственно, только качественное компьютерное оборудование способно справиться с построением сложных изображений.

III. Алгоритмы сжатия графических файлов: особенности, принцип сжатия, преимущества и недостатки

Как правило, все методы сжатия графических изображений разделяют на две категории: архивацию и компрессию.

Под архивацией понимают сжатие информации с возможностью ее дальнейшего восстановления.

Компрессия же означает потерю некоторого количества информации об изображении, что естественно приводит к ухудшению качества, но уменьшает объем сохраненных данных.

Архивировать можно как растровую, так и векторную графику. Принцип архивации состоит в том, что программа анализирует наличие в сжимаемых данных одинаковых последовательностей и исключает их, записывая вместо повторяющегося фрагмента ссылку на предыдущий и аналогичный ему для того, чтобы была возможность восстановления. Хорошим примером графического объекта с большим количеством одинаковых последовательностей может стать фотография или рисунок с голубым небом в изображении или со сплошной однотонной заливкой. При таком подходе можно восстанавливать нужную информацию без потерь.

Компрессия же не гарантирует полного восстановления исходных данных, поэтому ее основная задача - не «убить» что-нибудь очень ценное в погоне за уменьшением объема. Обычно информация, подвергнутая компрессии, занимает значительно меньше объема, чем сохраненная методами архивации. Регулирование степени сжатия дает право на выбор: размер выходного файла или сохранение его качества.

Алгоритмы сжатия данных, которые не вносят изменений в исходные файлы и гарантируют полное восстановление данных.

1. RLE. При этом методе кодирования изображение вытягивается в цепочку байт по строкам растра. Сжатие происходит за счёт того, что в исходном изображении встречаются цепочки одинаковых байт, они заменяются на пары: счетчик повторений и значение, что позволяет уменьшить изображение. RLE — используется в форматах PCX — в качестве основного метода и в форматах BMP, TGA, TIFF в качестве одного из доступных.

2. LZW (Lempel, Ziv, Welch). Сжатие по этому алгоритму осуществляется за счет одинаковых цепочек байт. В изображении ищутся повторяющиеся цепочки, делаются ссылки на ранее встречавшиеся. Метод LZW используется, например, при создании файлов формата GIF.

3. Deflate — это алгоритм сжатия без потерь, который использует комбинацию алгоритма LZ77 и алгоритма Хаффмана. LZ-Huffman — использует в формате PNG.

Наиболее популярным примером формата изображения, где используется сжатие с потерями является JPEG.

Принцип работы основан на особенностях восприятия человеческим глазом различных цветов и достаточно сложен с вычислительной точки зрения, так как занимает много процессорного времени. Кодирует файлы в несколько этапов. Во-первых, изображение условно разбивается на несколько цветовых каналов для дальнейшего анализа. Затем картинка разбивается на группы по 64 пиксела в каждой группе (она же - квадратный участок изображения размером 8х8 пикселей) для последующей обработки. Затем цвет пикселей специальным образом кодируется, исключаются дублирующая и избыточная информация, причем при описании цвета больше внимания уделяется скорее яркостной, чем цветовой составляющей, так как человеческий глаз воспринимает изменения яркости лучше, чем изменения конкретного цветового тона. Полученные данные сжимаются по RLE или LZW-алгоритму для достижения еще большей компрессии. В результате на выходе получаем файл иногда в десятки раз меньший, чем его неконвертированный аналог.

IV. Основные типы печатающих устройств

Печатающие устройства – это все виды оборудования, разработанные для нанесения текста и графических изображений (как чёрно-белых, так и цветных) на бумаге любого размера и толщины, а также рулонах, этикетках, плакатах и т.д.

К печатающим устройствам относятся:

-         все виды принтеров

-         факсимильные аппараты (на основе лазерной и струйной печати)

-         копировальные аппараты (или ксероксы, копиры)

-         плоттеры

-         многофункциональные устройства (МФУ)

Принтеры по технологии печати разделяют на матричные, струйные, лазерные, светодиодные, сублимационные и твердочернильные, а по цвету печати – монохромные и полноцветные.

У каждого типа принтеров есть свои недостатки и преимущества. Они разделяются по цене самих аппаратов, по тому, какие для них требуют расходные материалы, по качеству и скорости печати, сложности обслуживания и ремонта принтеров.

Плоттеры (графопостроители) предназначены для автоматического вычерчивания сложных рисунков, схем, карт и т.д. на бумаге формата А0.

В последнее время все большую популярность набирают так называемые МФУ – устройства, совмещающие в себе сканер, копир и принтер. Они применяются как в домашних условиях и тогда имеют размеры, не отличающиеся от размеров обычного принтера, так и в офисах.

Контрольные вопросы:

1.       Перечислите основные графические форматы, используемые в Интернет.

2.       Назовите достоинства и недостатки этих форматов.

3.       Где лучше использовать каждый из форматов и почему?

4.       Какой из форматов, GIF или JPEG, обеспечивает наименьшие потери качества изображения?

5.       Какими бывают изображения?

6.       Что такое пространственное разрешение?

7.       От чего зависит качество изображения?

8.       С помощью чего хранятся растровые изображения?

9.       Что такое графический редактор?

10.   Какие растровые графические редакторы вы знаете?

11.   Какие векторные графические редакторы вы знаете?

12.   Какие форматы графических изображений вы знаете?

13.   В чем состоит принцип растровой графики?

14.   Почему растровая графика эффективно представляет изображения фотографического качества?

15.   Почему для хранения растровых изображений требуется большой объем памяти? Почему растровое изображение искажается при масштабировании?

16.   Почему векторные изображения могут быть легко масштабированы без потери качества?

17.   Почему векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества?

18.   Для решения каких задач используются растровые программы?

19.   Скачано с www.znanio.ru