Лекция "Растровая и векторная графика"

Билет 16 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ 1. Технологии работы с графической информацией. Растровая и  векторная графика. Аппаратные средства ввода и вывода графических  изображений. Прикладные программы работы с графикой. Графический редактор. Основные инструменты и режимы работы.  ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­  Растровая и векторная графика   Впервые представление данных в графическом  виде было реализовано в середине 50­х годов ХХ  века для больших ЭВМ, которые применялись в  научных и военных исследованиях.  Особенно интенсивно технология обработки  графической информации с помощью компьютера  стала развиваться в 80­х годах .  Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно в виде –  Растрового изображения  Векторного изображения  Растровые изображения Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они  замечательно подходят для фотографий, картин и в других случаях, когда  требуется максимальная "естественность".  Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти  устройства тоже основаны на растровом принципе.  Одной из главных проблем растровых файлов является  масштабирование:  при существенном увеличении  изображения появляется зернистость,  ступенчатость, картинка может  превратиться в набор неряшливых  квадратов (увеличенных пикселей ).  Векторное изображение    Векторное изображение  рассматривается как графический  объект, представляющий собой  совокупность графических примитивов  (точек, линий, прямоугольников,  окружностей и т.д.) и описывающих их  математических формул. Положение и  форма графического объекта задается в системе графических координат,  связанных с экраном. Обычно начало  координат расположено в верхнем  левом углу экрана. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно­ цифровая и обрабатывается специальными программами. Очень популярны  такие программы, как CorelDRAW, Adobe Illustrator, Macromedia  FreeHand.  Достоинства векторной графики При кодировании векторного изображения хранится не само изображение  объекта, а координаты точек, используя которые программа всякий раз  воссоздает изображение заново. Кроме того, описание цветовых  характеристик не сильно увеличивает размер файла. Поэтому объем памяти  очень мал по сравнению с точечной графикой (растровой ).    Объекты векторной графики легко трансформируйте ими просто  манипулировать, что не оказывает практически никакого влияния на качество  изображении. Это возможно, так как масштабирование изображений  производится с помощью простых математических операций (умножения  параметров графических примитивов на коэффициент масштабирования). В тех областях графики, где принципиальное значение имеет сохранение  ясных и четких контуров, например в шрифтовых композициях, в создании  фирменных знаков логотипов и пр., векторная графика незаменима.  Недостатки векторной графики  Основной минус ­ то, что представлено в векторном формате почти всегда  будет выглядеть, как рисунок.  Векторная графика действительно ограничена в чисто живописных средствах  и не предназначена для создания фотореалистических изображений.  В последних версиях векторных программ внедряется все больше элементов  "живописности" (падающие тени, прозрачности и другие эффекты, ранее  свойственные исключительно программам точечной графики).  Аппаратные средства  Устройства вывода информации  Монитор.  Монитор является универсальным устройством вывода информации и  подключается к видеокарте, установленной в компьютере.  Изображение в компьютерном формате (в виде последовательностей нулей и  единиц) хранится в видеопамяти, размещенной на видеокарте. Изображение на экране монитора формируется путем считывания содержимого видеопамяти и отображения его на экран. Частота считывания изображения влияет на стабильность изображения на  экране. В современных мониторах обновление изображения происходит  обычно с частотой 75 и более раз в секунду, что обеспечивает комфортность  восприятия изображения пользователем компьютера (человек не замечает  мерцание изображения). Для сравнения можно напомнить, что частота смены  кадров в кино составляет 24 кадра в секунду.  В настольных компьютерах обычно используются  мониторы на электронно­лучевой трубке (ЭЛТ).  Изображение на экране монитора создается пучком  электронов, испускаемых электронной пушкой. Этот пучок электронов разгоняется высоким  электрическим напряжением (десятки киловольт) и  падает на внутреннюю поверхность экрана,  покрытую люминофором (веществом, светящимся  под воздействием пучка электронов).  Система управления пучком заставляет пробегать его построчно весь экран  (создает растр), а также регулирует его интенсивность (соответственно  яркость свечения точки люминофора). Пользователь видит изображение на  экране монитора, так как люминофор излучает световые лучи в видимой  части спектра. Качество изображения тем выше, чем меньше размер точки  изображения (точки люминофора), в высокачественных мониторах размер  точки составляет 0,22 мм.  Однако монитор является также источником высокого статического  электрического потенциала, электромагнитного и рентгеновского излучений,  которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье человека.  Современные мониторы практически безопасны, так как соответствуют  жестким санитарно­гигиеническим требованиям, зафиксированным в  международном стандарте безопасности  ТСО'99.  В портативных и карманных компьютерах применяют плоские мониторы на  жидких кристаллах (ЖК). В последнее время такие мониторы стали  использоваться и в настольных компьютерах. ЖК­мониторы сделаны из вещества, которое находится в  жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми  свойствами, присущими кристаллическим телам.  Фактически это жидкости, обладающие анизотропией  свойств (в частности, оптических), связанных с  упорядоченностью в ориентации молекул. Молекулы  жидких кристаллов под воздействием электрического  напряжения могут изменять свою ориентацию и вследствие  этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.  ЖК­мониторы сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии,  но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим  телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в  частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации  молекул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электрического  напряжения могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять  свойства светового луча, проходящего сквозь них.  Преимущество ЖК­мониторов перед мониторами на ЭЛТ состоит в  отсутствии вредных для человека электромагнитных излучений и  компактности.  Мониторы могут иметь различный размер экрана. Размер диагонали экрана  измеряется в дюймах (1 дюйм = 2,54 см) и обычно составляет 15, 17, 19 и  более дюймов.  Принтеры .  Принтеры предназначены для вывода на бумагу (создания «твердой копии»)  числовой, текстовой и графической информации. По своему принципу  действия принтеры делятся на матричные, струйные и лазерные. Матричные принтеры — это принтеры ударного действия. Печатающая  головка матричного принтера состоит из вертикального столбца маленьких  стержней (обычно 9 или 24), которые под воздействием магнитного поля  «выталкиваются» из головки и ударяют по бумаге (через красящую ленту).  Перемещаясь, печатающая головка оставляет на бумаге строку символов.  Недостатки матричных принтеров состоят в том, что они печатают медленно,  производят много шума и качество печати оставляет желать лучшего (соответствует примерно качеству пишущей машинки).  Струйные принтеры      В последние годы широкое распространение получили  черно­белые и цветные струйные принтеры. В них  используется чернильная печатающая головка, которая под давлением выбрасывает чернила из ряда мельчайших  отверстий на бумагу. Перемещаясь вдоль бумаги,  печатающая головка оставляет строку символов или  полоску изображения.  Струйные принтеры могут печатать достаточно быстро (до нескольких  страниц в минуту) и производят мало шума. Качество печати (в том числе и  цветной) определяется разрешающей способностью струйных принтеров,  которая может достигать фотографического качества 2400 dpi. Это означает,  что полоска изображения по горизонтали длиной в 1 дюйм формируется из  2400 точек (чернильных капель).  Лазерные принтеры обеспечивают практически бесшумную печать. Высокую  скорость печати (до 30 страниц в минуту) лазерные принтеры достигают за  счет постраничной печати, при которой страница печатается сразу целиком.  Высокое типографское качество печати лазерных принтеров обеспечивается  за счет высокой разрешающей способности, которая может достигать 1200 dpi и более.  Плоттер.   Для вывода сложных и широкоформатных графических  объектов (плакатов, чертежей, электрических и  электронных схем и пр.) используются специальные  устройства вывода — плоттеры. Принцип действия  плоттера такой же, как и струйного принтера.  Устройства ввода информации  Сенсорный экран Сенсорный , или тактильный, экран представляет собой поверхность, которая  покрыта специальным слоем. Прикосновение к определенному месту экрана  обеспечивает выбор задания, которое должно быть выполнено компьютером,  или команды в экранном меню.  Сенсорный экран позволяет также перемещать объекты. Он удобен в  использовании, особенно когда необходим быстрый доступ к информации.  Такие устройства ввода можно увидеть в банковских компьютерах,  аэропортах, а также в военной сфере и промышленности.  Световое перо    Световое перо похоже на обычный карандаш, на кончике  которого имеется специальное устройство —  светочувствительный элемент. Соприкосновение пера с  экраном замыкает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Если перемещать по экрану такое  перо, можно рисовать или писать на экране, как на листе  бумаги.  Световое перо используется для ввода информации в самых маленьких  персональных компьютерах — в карманных микрокомпьютерах. Оно также  применяется в различных системах проектирования и дизайна.  Графический планшет, или дигитайзер    Графический планшет, или дигитайзер, используется для  создания либо копирования рисунков или фотографий. Он  позволяет создавать рисунки так же, как на листе бумаги.  Изображение преобразуется в цифровую форму, отсюда  название устройства (от англ. digit — цифра).  С помощью специальной ручки можно чертить, рисовать схемы, добавлять  заметки и подписи к электронным документам. Качество графических  планшетов характеризуется разрешающей способностью, которая измеряется  в lpi (линиях на дюйм) и способностью реагировать на силу нажатия пера.  В хороших планшетах разрешающая способность достигает 2048 lpi  (перемещение пера по поверхности планшета на 1 дюйм соответствует  перемещению на 2048 точек на экране монитора), а количество  воспринимаемых градаций нажатий на перо составляет 1024. Условия создания изображения приближены к реальным, достаточно  специальным пером или пальцем сделать рисунок на специальной  поверхности. Результат работы дигитайзера воспроизводится на экране  монитора и в случае необходимости может быть распечатан на принтере.  Дигитайзерами обычно пользуются архитекторы, дизайнеры.  Сканер  Большое распространение в наше время прибрели устройства сканирования  изображений, таких как тексты или рисунки. Термин «сканирование»  происходит от английского глагола to scan, что означает «пристально  всматриваться».    Сканер предназначен для ввода в компьютер графической  или текстовой информации с листа бумаги, со страницы  журнала или книги. Для работы сканера необходимо  программное обеспечение, которое создает и сохраняет в  памяти электронную копию изображения. Все разнообразие  подобных программ можно подразделить на два класса —  для работы с графическим изображением и для  распознавания текста.  Сканируемое изображение освещается белым светом (черно­белые сканеры)  или тремя цветами (красным, зеленым и синим). Отраженный свет  проецируется на линейку фотоэлементов, которая движется, последовательно считывает изображение и преобразует его в компьютерный формат. В  отсканированном изображении количество различаемых цветов может  достигать десятков миллиардов.  Сканеры различаются по следующим параметрам:  глубина распознавания цвета: черно­белые, с градацией серого, цветные;  оптическое разрешение, или точность сканирования, измеряется в точках на  дюйм и определяет количество точек, которые сканер различает на каждом  дюйме;  К важным характеристикам сканера также относятся время сканирования и  максимальный размер сканируемого документа.  Сканеры находят широкое применение в издательской деятельности, системах проектирования, анимации. Эти устройства незаменимы при создании  презентаций, докладов, рекламных материалов высокого качества. Разрешающая способность сканеров составляет 600 dpi и выше, то есть на  полоске изображения длиной 1 дюйм сканер может распознать 600 и более  точек.  Цифровые камеры и ТВ­тюнеры    Последние годы все большее распространение получают  цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты). Цифровые  камеры позволяют получать видеоизображение и фотоснимки  непосредственно в цифровом (компьютерном) формате.  Цифровые видеокамеры могут быть подключены к компьютеру, что позволяет сохранять видеозаписи в компьютерном формате.  Для передачи «живого» видео по компьютерным сетям используются  недорогие web­камеры, разрешающая способность которых обычно не  превышает 640x480 точек.  Цифровые фотоаппараты позволяют получать высокачественные фотографии  с разрешением до 2272x1704 точек (всего до 3,9 млн пикселей). Для хранения  фотографий используются модули flash­памяти или жесткие диски очень  маленького размера. Запись изображений на жесткий диск компьютера может  осуществляться путем подключения камеры к компьютеру.  Если установить в компьютер специальную плату (ТВ­тюнер) и подключить к  ее входу телевизионную антенну, то появляется возможность просматривать  телевизионные передачи непосредственно на компьютере.  Программные средства  Для обработки изображений на компьютере используются специальные  программы — графические редакторы. Графический редактор — это  программа создания, редактирования и просмотра графических изображений.  Графические редакторы можно разделить на две категории: растровые и  векторные.  Растровые графические редакторы. Растровые графические редакторы  являются наилучшим средством обработки фотографий и рисунков,  поскольку растровые изображения обеспечивают высокую точность передачи  градаций цветов и полутонов. Среди растровых графических редакторов есть  простые, например стандартное приложение Paint, и мощные  профессиональные графические системы, например Adobe Photoshop. Растровое изображение хранится с помощью точек различного цвета  (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Любой пиксель имеет  фиксированное положение и цвет. Хранение каждого пикселя требует  некоторого количества бит информации, которое зависит от количества  цветов в изображении.  Качество растрового изображения определяется размером изображения  (числом пикселей по горизонтали и вертикали) и количества цветов, которые  могут принимать пиксели.  Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию  (увеличению или уменьшению). Когда растровое изображение уменьшается,  несколько соседних точек превращаются в одну, поэтому теряется  разборчивость мелких деталей изображения. При укрупнении изображения  увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект,  который виден невооруженным глазом.  Векторные графические редакторы. Векторные графические изображения  являются оптимальным средством для хранения высокоточных графических  объектов (чертежи, схемы и т. д.). для которых имеет значение наличие  четких и ясных контуров. С векторной графикой вы сталкиваетесь, когда  работаете с системами компьютерного черчения и автоматизированного  проектирования, с программами обработки трехмерной графики.  К векторным графическим редакторам относятся графический редактор,  встроенный в текстовый редактор Word. Среди профессиональных векторных  графических систем наиболее распространены CorelDRAW и Adobe  Illustrator. Векторные изображения формируются из объектов (точка, линия, окружность и т. д.), которые хранятся в памяти компьютера в виде графических  примитивов и описывающих их математических формул.  Например, графический примитив точка задается своими координатами (X,  Y), линия — координатами начала (XI, У1) и конца (Х2, Y2), окружность —  координатами центра (X, Y) и радиусом (К), прямоугольник — величиной  сторон и координатами левого верхнего угла (Xl, Y1) и правого нижнего угла  (Х2, Y2) и т. д. Для каждого примитива назначается также цвет.  Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие  векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.  Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены  или уменьшены без потери качества.    Панели инструментов графических редакторов.  Графические редакторы имеют набор инструментов для  создания или рисования простейших графических  объектов: прямой линии, кривой, прямоугольника,  эллипса, многоугольника и т. д. После выбора объекта  на панели инструментов его можно нарисовать в любом  месте окна редактора. Выделяющие инструменты. В  графических редакторах над элементами изображения  возможны различные операции: копирование,  перемещение, удаление, поворот, изменение размеров и  т. д. Чтобы выполнить какую­либо операцию над  объектом, его сначала необходимо выделить.  Для выделения объектов в растровом графическом  редакторе обычно имеются два инструмента: выделение  прямоугольной области и выделение произвольной  области. Процедура выделения аналогична процедуре  рисования.  Выделение объектов в векторном редакторе  осуществляется с помощью инструмента выделение  объекта (на панели инструментов изображается  стрелкой). Для выделения объекта достаточно выбрать  инструмент выделения и щелкнуть по любому объекту  на рисунке. Инструменты редактирования рисунка позволяют вносить в рисунок  изменения: стирать его части, изменять цвета и т. д. Для стирания  изображения в растровых графических редакторах используется инструмент  Ластик, который убирает фрагменты изображения (пиксели), при этом размер Ластика можно менять.  В векторных редакторах редактирование изображения возможно только путем удаления объектов, входящих в изображение, целиком. Для этого сначала  необходимо выделить объект, а затем выполнить операцию Вырезать.  Операцию изменения цвета можно осуществить с помощью меню Палитра,  содержащего набор цветов, используемых при создании или рисовании  объектов.  Текстовые инструменты позволяют добавлять в рисунок текст и  форматировать его.    В растровых редакторах инструментом  Надпись (буква А на панели инструментов)  создаются текстовые области на рисунках.  Установив курсор в любом месте текстовой области, можно ввести текст.  Форматирование текста производится с  помощью панели Атрибуты текста.  В векторных редакторах тоже можно создавать текстовые области для ввода  и форматирования текста. Кроме того, надписи к рисункам вводятся  посредством так называемых выносок различных форм.  Масштабирующие инструменты в растровых графических редакторах дают  возможность увеличивать или уменьшать масштаб представления объекта на  экране, не влияя при этом на его реальные размеры. Обычно такой инструмент называется Лупа.  В векторных графических редакторах легко изменять реальные размеры  объекта с помощью мыши.  Форматы графических файлов  Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в  файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации  (используемый алгоритм сжатия). Сжатие применяется для растровых графических файлов, так как они имеют  обычно достаточно большой объем. Сжатие графических файлов отличается  от их архивации с помощью программ архиваторов. тем, что алгоритм сжатия  включается в формат графического файла.  Некоторые форматы графических файлов являются универсальными, так как  могут быть обработаны большинством графических редакторов. Некоторые  программы обработки изображений используют оригинальные форматы,  которые распознают только самой создающей программой.  Рассмотрим некоторые форматы графических файлов:  BMP – универсальный формат растровой графики в windows.  GIF – формат растровых графических файлов для различных ОС.  Используется для размещения графических изображений в Интернете.  JPEG ­ формат растровых графических файлов, который использует  эффективных алгоритм сжатия (с потерями). Используется для размещения  графических изображений в Интернете.  WMF – универсальных формат векторных графических файлов для windows­ приложений.  CDR – оригинальный формат векторных графических файлов, используется в  системе обработки изображений CorelDraw.  ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ 2. Решение задачи по теме «Системы счисления» на изучаемом языке  программирования или с использованием стандартной программы  «Калькулятор». ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­