Теоретические основы компьютерной графики

В эпоху больших ЭВМ техническую дисциплину, занимающуюся разработкой методов и программ для ввода, преобразования и визуализации информации с помощью технических устройств, называли машинной графикой.
С широким распространением персональных компьютеров эту область деятельности стали именовать компьютерной графикой. Она охватывает разнообразные методы генерации, отображения, вывода и сохранения графических изображений.
Современная картография широко использует результаты развития информатики, кибернетики, вычислительных устройств и совершенствуется вместе с ними. Именно на стыке традиционной картографии, информационных технологий, компьютерной графики возникла автоматизированная картография. Как научная и практическая дисциплина она охватывает весь комплекс работ по созданию и использованию картографических произведений на основе электронных вычислительных машин и технических устройств.
Компьютерная картография — это раздел автоматизированной картографии, рассматривающий способы создания картографических произведений с использованием компьютерных технологий для целей их полиграфического воспроизведения. Представляет собой техническое направление развития современной картографии.
Одновременно она постоянно обогащается результатами теоретических и научно-практических исследований в области традиционной, цифровой картографии, геоинформационного картографирования, издательских систем, интернет-технологий, картографической информатики, генерализации, картографического дизайна. В свою очередь, под компьютерными технологиями понимается комплекс программно-аппаратных средств, позволяющий автоматизировать те или иные процессы.

Таким образом, компьютерная картография изучает и разрабатывает методы и технологию автоматизированного создания карт на базе персональных компьютеров и графических программ. При этом компьютерная картография рассматривает построение картографического изображения на экране компьютера в интерактивном (диалоговом) режиме в реальном времени.
Карта является образно-знаковой моделью действительности, поэтому создание карт с помощью компьютера можно назвать компьютерным моделированием. Компьютерное моделирование является основным методом компьютерной картографии.
Помимо технической стороны компьютерная картография рассматривает также теорию и методы картографического отображения объектов и явлений природы и общества, то есть построения языка карты, систем картографических знаков; художественное проектирование карт (картографический дизайн), их красочное оформление применительно к новым информационным технологиям, основываясь на разработках оформления карт и картографической семиотики.
Поскольку картография является областью науки, техники и производства, то она имеет широкий спектр взаимодействия с комплексом философских, естественных и технических наук. В картографии находят применение общая теория отражения, теория моделирования, основные положения системного подхода, лингвистика, психология восприятия, математические науки (математический анализ, математическая статистика, теория информации, теория графов), технические дисциплины (автоматика, электроника, приборостроение, полиграфия). Картография тесно связана с топографией, геодезией, аэрокосмическими методами, с комплексом наук о Земле и планетах и с социально-экономическими науками.

Помимо традиционных отраслей науки и техники современная картография взаимосвязана с геоинформационными системами (ГИС), представляющими систему технических средств, программного и информационного обеспечения и предназначенную для сбора, обработки, хранения, отображения и распространения пространственно-координированной информации в целях решения комплекса народнохозяйственных задач по инвентаризации, анализу, оценке, прогнозу, планированию и управлению окружающей средой и территориальной организацией общества.
Существует несколько точек зрения на взаимодействие картографии с геоинформационными системами и смежными дисциплинами, в частности, дистанционным зондированием (аэрокосмическими методами) (рис. 1). Все три составляющие перекрываются и тесно взаимодействуют между собой в процессе получения, обработки и анализа пространственной информации в модели, где ни одна из сфер не является доминирующей. Именно эта модель признается наиболее реалистичной (см. рис.1г).

Рис. 1. Модели соотношения картографии (К), дистанционного зондирования (ДЗ) и геоинформационных систем (ГИС): а) линейная модель; б) доминирование картографии; в) доминирование геоинформационных систем;
г) модель тройного взаимодействия

Прямым результатом взаимодействия картографии и геоинформатики является геоинформационное картографирование, определяемое как отрасль картографии, занимающаяся автоматизированным составлением и использованием карт как моделей геосистем на основе ГИС-технологий и баз географических и картографических данных и знаний. Оно формируется на пересечении автоматизированного картографирования, аэрокосмических методов, системного картографирования и геоинформационных систем (рис. 2).

Рис. 2. Геоинформационное картографирование (ГК) как узловая картографическая
дисциплина:
АК – автоматизированное картографирование; СК – системное картографирование;
АКМ – аэрокосмические методы; ГИС – геоинформационные системы

Поскольку компьютерная картография является частью автоматизированного картографирования, то для нее является справедливой эта же схема взаимосвязи.
Кроме того, компьютерная картография находится в тесном взаимодействии с цифровым картографированием, также являющимся одним из направлений автоматизации картографической деятельности и призванным преобразовать образно-знаковую информацию карт в цифровую форму.
Цифровые карты наряду с традиционными материалами служат источником информации для компьютерного составления. Одновременно и для цифровых карт в качестве исходных материалов используются самые различные графические оригиналы (диапозитивы постоянного хранения, тиражные оттиски и др.), а также данные дистанционного зондирования.
Развитие технических средств оказало значительное влияние также на издание карт, которое традиционно зависит от достижений полиграфии. Естественно, что и компьютерная картография тесно связана с ее развитием, поскольку способы формирования изображения на экране компьютера, применение изобразительных средств в значительной степени диктуются особенностями используемого в дальнейшем, при печати тиража карты, полиграфического оборудования и технологических процессов печати. В полиграфии этот процесс носит обобщенное название допечатной подготовки изображений. Вместе с тем и компьютерное изготовление оригиналов карт оказывает влияние на полиграфические технологии. Необходимость высокого качества продукции предъявляет свои требования к полиграфическому оборудованию.

Таким образом, главной задачей компьютерной картографии является составление, оформление и подготовка картографических изображений к по лиграфической печати с использованием компьютерных технологий. С дальнейшим развитием информационных технологий компьютерная картография, скорее всего, претерпит определенные изменения. Будет логично, если она сольется воедино с геоинформационным картографированием, поскольку их общей целью является получение высококачественных картографических произведений. Однако произойдет это не раньше, чем в геоинформационных технологиях будет обеспечен процесс полноценной подготовки карты к полиграфическому воспроизведению. А до этого времени компьютерная картография должна служить делу обеспечения народного хозяйства высококачественными картографическими произведениями на бумажной основе. Соответственно, для создания качественного графического изображения следует освоить принципы представления в компьютере графической информации.

Автоматизированное построение картографического изображения требует знаний не только компьютерных технологий, но и законов картографии. К основным картографическим требованиям относятся применение системного подхода, формализация картографического изображения, психофизиология зрительного восприятия, использование знаковых систем (условных обозначений) и способов картографического изображения, генерализация, цветовое оформление. Системный подход предполагает, что моделируемые (картографируемые) явления рассматриваются в качестве природных и социально экономических систем (комплексов), а не как отдельно взятые объекты и явления. При этом системы обладают соподчиненностью (каждая система может рассматриваться как элемент системы более высокого ранга). При картографировании учитываются не только состояние и свойства входящих в состав комплексов элементов, но и их взаимосвязи и функционирование. Карта обладает одновременно коммуникативными и гносеологическими функциями.
Под картографической генерализацией понимается отбор и обобщение изображаемых на карте объектов и явлений соответственно назначению, масштабу, содержанию карты и особенностям картографируемой территории. Суть генерализации состоит в передаче на карте основных, типичных черт объектов, их характерных особенностей и взаимосвязей. Проявляется вобобщении качественных и количественных характеристик объектов, замене индивидуальных понятий собирательными, отвлечении от частностей и деталей для показа главных черт пространственного размещения. Генерализация является неотъемлемой частью всех картографических изображений, даже самых крупномасштабных.

При создании картографического изображения и цветовом оформлении карт должны учитываться и законы психофизиологического восприятия графических образов человеком, так как от этого зависит читаемость карты, передача зрительных образов, цветовое восприятие картографического изображения. Читаемость изображения на карте во многом зависит от размеров условных знаков, их рисунка, цвета, окружающего пространства (фона), загруженности карты и других факторов. Достаточно подробно названные вопросы рассматриваются в соответствующих областях науки, например, в картографии, психологии, семиотике и др. Изучение этих вопросов совместно с компьютерными технологиями дает возможность создания не только качественной графики, но и достоверного, географически правильного картографического изображения.

Растровое изображение представляет собой набор пикселей [или пикселов (picture element – элемент рисунка). Это самый минимальный и основной элемент изображения, формируемого на экране монитора или при печати.
Чем плотнее расположены пиксели, тем более качественное изображение создается на экране. Плотность пикселей измеряется в единицах, называемых dpi (dots per inch – количество точек на дюйм), и общепринята в области компьютерной графики и издательского дела. Она используется для характеристики размеров растрового изображения с указанием ширины и высоты.
Например, размер изображения 500х546 означает, что оно имеет 500 пикселей по горизонтали и 546 – по вертикали. При этом количество точек, формирующих рисунок, не зависит от разрешающей способности устройства вывода (экрана монитора, принтера и др.). А при увеличении масштаба изображения становится заметной мозаичная структура рисунка.
Простейшим видом растрового изображения является черно-белое изображение, состоящее из комбинаций черных и белых точек (рис. 3).

Рис. 3. Пример растрового изображения

Его также называют битовым, поскольку оно кодируется с помощью двух цифр: 0 – белый цвет, 1 – черный цвет. Для отображения цветного изображения каждой точке (пикселю) присваивают несколько бит информации.
Например, если пикселю соответствует 4 бита цветовой информации, можно отобразить 16 цветов (2 4 ), 24 бита соответствуют 16,7 миллионам цветов, а 30 бит – 1 миллиарду. Число битов, используемых для хранения цвета каждого пикселя, называют битовой глубиной изображения.
Растровая графика – самый реалистичный способ отображения объектов окружающего мира. Она обладает богатыми изобразительными возможностями. Однако лишь качественные растровые изображения могут передать все многообразие процессов и явлений, воспринимаемых зрением человека. При этом достаточно велик объем требуемой памяти компьютера для хранения такой графики. В целях экономии памяти компьютера применяют различные методы сжатия данных. Для представления картографического изображения, которое характеризуется четкостью и высоким качеством графического начертания, использование растровой графики ограничено разработкой, созданием и художественным оформлением обложек, слайдов, иллюстраций, то есть реалистичных изображений, входящих в состав картографического произведения.

Более высоким качеством и иным принципом формирования обладает векторная графика, иногда называемая объектно-ориентированной (рис. 4).
Это метод построения изображений, в котором используются математические описания для определения положения, длины и направления выводимых линий. При этом объекты формируются из набора векторов (линий), которые можно изменять произвольным образом в процессе рисования, то есть редактировать.

Рис. 4. Пример векторного изображения

Таким образом, в векторной графике используется комбинация компьютерных команд и математических формул для описания отдельных составных частей изображения (векторов). В этом случае в отличие от растрового изображения векторное занимает значительно меньше места.
Кроме того, при редактировании векторного изображения можно изменять его размеры без потери качества рисунка. При этом графическое качество изображения будет зависеть от разрешающей способности устройства вывода.
В векторной графике даже самые сложные рисунки могут быть созданы за счет комбинаций простейших графических элементов, вычерчиваемых на экране. Это свойство векторной графики используется в компьютерном по строении картографического изображения, которое также представляется комбинацией элементарных графических фигур: окружности, квадрата, треугольника, отрезка (линии).

Автоматизированная обработка данных требует их формализации, т. е. описания объектов (или знаков) с помощью формального языка, все значения которого четко определены и не допускают каких-либо двусмысленностей.
Определенной формализацией карта обладает уже по определению, так как она имеет математическую основу, к которой относятся масштаб, проекция, картографическая (координатная) сетка, компоновка и рамки карты. На топографических картах, кроме того, имеется номенклатура соответственно масштабу, а также на крупномасштабных картах показываются пункты государственной геодезической сети, которые могут быть введены в компьютер по известным координатам без предварительной обработки.
Формализовать содержание географических карт можно путем построения картографического изображения на основе его иерархического описания из конечного набора элементарных символов, что, кроме того, обеспечивает логику построения изображения. Такое изображение может храниться в автоматизированных банках картографических данных и может быть подвергнуто содержательному анализу и поиску, поскольку строится на принципах унификации и стандартизации условных обозначений, а также однозначного соответствия графического изображения смысловому содержанию отображаемого объекта.
Картографическое изображение можно представить в виде набора простейших геометрических символов (конструктивных элементов) с различными параметрами (рисунком, размером, цветом, текстурой). Из конструктивных элементов формируется словарь на основе их топологии и структуры с отображением иерархии изобразительных средств (рис. 5).

Рис. 5. Пример формирования словаря конструктивных элементов