Текст книги "Компьютерная графика в дизайне"

В этом разделе рассматриваются устройство и основные свойства базовой информационной модели векторного изображения, на основе которой разработаны все форматы векторных графических документов.

Крайне упрощая ситуацию, можно принять, что в векторной информационной модели существует только один класс объектов – линии. Каждой линии соответствует дескриптор, в котором хранятся сведения об имени объекта, и значения свойств, однозначно определяющих его расположение, форму и цвет. Меняя значения элементов дескриптора, можно преобразовывать соответствующий ему объект (перемещать, масштабировать, менять цвет). Для каждого типа преобразования объекта имеется соответствующий метод, который должен быть программно реализован в графическом редакторе, работающем с векторной информационной моделью.

Важнейшая особенность векторной информационной модели изображения, очевидная даже для такого, предельно упрощенного ее варианта, – многообразие структур дескрипторов, составляющих ее область данных. В самом деле, для хранения данных о кривых, проходящих через две точки и через десять точек, потребуется различный объем памяти компьютера.

В векторных информационных моделях изображения, использующихся на практике, не один, а много классов графических объектов (см. разд. 2.1.2). Более того, в них имеются составные графические объекты, включающие в себя несколько простых, играющих в составных объектах различные роли. В качестве примера можно привести текст, размещенный на криволинейной траектории. Здесь простыми объектами будут текст и кривая. Каждый из них можно редактировать с помощью методов его класса, но при этом у составного объекта есть и свои методы (например, изменение расстояния между текстом и кривой).

На рис. 1.2.4 представлен простейший векторный рисунок, построенный по известному детскому стишку "Точка, точка, запятая…".

Рис. 1.2.4. Векторное изображение

К сожалению, этот известный всем текст содержит явно недостаточно информации для однозначного воспроизведения изображения, и автору пришлось многое добавлять от себя. В частности, не было никаких указаний о расположении упомянутых графических объектов и об их размерах. Результаты доработки представлены в табл. 1.2.1.

Таблица 1.2.1. Состав векторной информационной модели изображения

Анализируя данные табл. 1.2.1, составляющие векторную информационную модель изображения, можно сделать несколько выводов о природе этой модели.

• Даже простейшее векторное изображение, как правило, включает в себя графические объекты нескольких классов. Именно из-за этого не удалось обойтись одной общей таблицей – разные классы изображения описываются различными совокупностями параметров (см. разд. 2.1.2–2.1.3).

• Дескрипторам модели соответствуют строки табл. 1.2.1. Каждый из дескрипторов описывает независимый графический объект, которому сопоставлено уникальное имя. Имя объекта может содержать в себе информацию о том, чему соответствует этот объект в реальном или виртуальном мире.

• В каждом дескрипторе кроме имени графического объекта и информации о его классе содержатся значения свойств, конкретизирующие его геометрические свойства – размеры, угол разворота, местоположение. Меняя значение этих свойств, можно изменять изображение, которое будет построено при рендеринге информационной модели.

Примечание

В дескрипторе также содержится информация о цвете объекта, но в данном примере для упрощения соответствующие свойства не были представлены.

Эти выводы будут подробнее рассмотрены в первых разделах главы 2.1. Здесь ограничимся перечислением основных достоинств и недостатков векторной информационной модели. Начнем с достоинств:

• При желании автора, векторное изображение можно структурировать с любой степенью детализации. Произвольному фрагменту изображения можно поставить в соответствие именованный графический объект или именованную связанную группу графических объектов векторной информационной модели. Это дает возможность установить соответствие дескрипторов модели структуре изображаемого объекта, что, в свою очередь, значительно упрощает и ускоряет выделение нужных для работы частей изображения.

• Геометрические преобразования векторных изображений выполняются с помощью простых операций. В процессе масштабирования изображение не искажается, визуальная информация не теряется, артефакты (визуальный шум) не появляются (рис. 1.2.5). Кроме того, ширина линий векторного изображения по желанию может оставаться при масштабировании неизменной (как на рис. 1.2.5) или меняться в соответствии с масштабом.

Рис. 1.2.5. Увеличение размера изображения при работе с векторной информационной моделью

• Векторная модель изображения сравнительно компактна, объем требующейся для ее размещения памяти зависит только от количества графических объектов, входящих в ее состав, но не от размера изображения.

• Для представления текстов в векторной модели предусмотрены специальные классы объектов. Это позволяет работать с текстом удобными методами редактирования и форматирования на любой стадии графического проекта, не снижая качество воспроизведения текста, который преобразуется в изображении только при рендеринге.

Наряду с перечисленными достоинствами у векторной информационной модели изображения имеются и недостатки:

• Сложность в освоении, что обусловлено включением в состав модели большого числа классов графических объектов. На изучение этих классов и методов работы с ними требуется немало времени.

• Данная модель не является унифицированной. В разных программных средствах компьютерной графики используется различная номенклатура классов графических объектов и различные структуры классов составных графических объектов. За счет этого переход на новый векторный графический редактор может потребовать значительных затрат времени и труда на изучение новой версии векторной информационной модели.

• Автоматическое построение векторной модели изображения представляет собой очень сложную задачу. Программы трассировки позволяют преобразовать пиксельное изображение в векторное представление, но они не могут автоматически структурировать получившуюся совокупность векторных объектов, из-за чего утрачивается основное достоинство векторной информационной модели. Поэтому большая часть векторных информационных моделей составляется пользователями вручную (см. разд. 2.9.4–2.9.6).

• Техника работы с этой моделью плохо приспособлена для создания фотореалистичных изображений. Векторные изображения, как правило, слишком резкие, плоскостные, "мультяшные". Чтобы добиться реалистичности векторного изображения, необходима сложная информационная модель и большой опыт работы с графическим редактором.

В этом разделе рассматриваются устройство и основные свойства базовой информационной модели пиксельного изображения, на основе которой разработаны все форматы пиксельных графических документов.

Исходное изображение до преобразования его в пиксельную информационную модель может быть представлено в виде плоского отпечатка, объемной сцены реального или виртуального мира, ранее построенной векторной или пиксельной информационной модели. Для формирования пиксельной информационной модели изображения выполняется его растрирование.

Примечание

Растрированием называется разбиение плоскости на одинаковые по форме выпуклые области, прилегающие друг к другу без зазоров – элементы растра. Простейшие варианты растрирования выполняются с помощью квадратных, прямоугольных и правильных шестиугольных элементов. Растрирование представляет собой частный случай тесселяции – процедуры, при которой на форму получающихся элементов не накладывается требование выпуклости. Растрирование в компьютерной графике может выполняться аппаратно (при сканировании или съемке) и программно (в процессе рендеринга).

Затем в пределах каждого из элементов растра выполняется усреднение цветовой характеристики. Если вся площадь элемента окрашена одним цветом, цветовая характеристика остается неизменной. Если в пределах элемента имеются области различных цветов, выводится усредненное значение в соответствии с алгоритмом усреднения. После выполнения усреднения элемент растра становится пикселом – элементарным объектом пиксельного изображения. Итак, пиксел (в некоторых публикациях пиксель) – это элемент растра изображения с усредненной цветовой характеристикой. Совокупность всех пикселов, составляющих изображение, также называется растром.

Примечание

В принципе, элементы тесселяции могут быть весьма причудливой формы, но на практике в информационной модели пиксельного изображения встречаются только растры с прямоугольными (чаще всего – квадратными) элементами.

Примечание

К сожалению, в литературе по компьютерной графике широко распространен другой термин для обозначения пиксельной информационной модели – точечная информационная модель. Его следует считать неточным и устаревшим; в главе 3.1 показано, что пиксел и точка – термины, обозначающие различные объекты.

В базовом варианте область данных пиксельной информационной модели изображения состоит из последовательности дескрипторов, каждый из которых описывает один пиксел изображения. Координаты пиксела не указываются в дескрипторе, поскольку его место в растре можно однозначно определить по порядковому номеру дескриптора и размеру растра. Следовательно, в дескрипторе достаточно указать только характеристику цвета. Способ представления характеристики цвета в дескрипторе зависит от выбранной цветовой модели.

Как в случае с векторной моделью, предельно упростим ситуацию. В простейшем варианте пиксельная модель описывает изображения, в которых присутствуют только два цвета – штриховые (см. разд. 1.1.3). Дескриптор пиксела штриховой модели может принимать только два значения, которые обозначают единицей (цвет штриха) или нулем (цвет фона). На рис. 1.2.6 показаны этапы построения информационной модели штрихового изображения.

Рис. 1.2.6. Построение пиксельной информационной модели изображения: а – тесселяция изображения; б – усреднение цветовых характеристик пикселов; в – массив дескрипторов штрихового пиксельного изображения

По рис. 1.2.6 можно сделать несколько выводов о природе пиксельной информационной модели изображения.

• При построении пиксельной информационной модели изображения в процессе усреднения цветовых характеристик пикселов неизбежно утрачивается часть визуальной информации – мелкие детали (например, бесследно исчез знак "минус", изображавший рот человечка). Это происходит при любой величине пикселов, – их размер влияет только на количество утрачиваемой информации.

• Размер пиксельной информационной модели изображения не зависит от его сложности, а определяется только его размерами, числом пикселов в растре и размером дескриптора пиксела (который определяется выбором модели цвета).

Вопросы, связанные с выбором оптимальных параметров растра, позволяющих минимизировать утрату визуальной информации, рассматриваются подробнее в разд. 3.1.1–3.1.6. Цветовые модели и их влияние на размер пиксельной информационной модели описаны в главе 1.3. Здесь ограничимся перечислением основных достоинств и недостатков пиксельной информационной модели. Начнем с достоинств.

• Процедура построения пиксельной информационной модели легко автоматизируется. Сканирование позволяет строить пиксельную информационную модель плоского отпечатка, фотографирование цифровой камерой – реальной сцены или объекта, трехмерное моделирование с последующим рендерингом – сцены или объекта виртуального мира.

• Однородная структура данных пиксельной модели позволяет редактировать изображение на любом уровне глобальности. Одним и тем же способом можно, например, изменить цветовую характеристику как всего изображения, так и единственного пиксела. Это позволяет выполнять очень тонкую корректировку изображений.

• При малых размерах пикселов изображение может быть очень реалистичным, передавая все мелкие детали и цветовые нюансы.

• Алгоритм рендеринга базовой пиксельной информационной модели достаточно прост и не требует большой вычислительной мощности и продолжительного времени. Вывод контрольного изображения на экран и на печать осуществляется сравнительно быстро.

Впрочем, пиксельная информационная модель имеет и существенные недостатки.

• Число пикселов в растре жестко фиксируется в момент построения модели. При необходимости увеличить размеры изображения приходится либо менять размеры пикселов, либо повторять процедуру построения растра – выполнять повторное растрирование. В главе 3.1 показано, что и то, и другое приводит к нежелательным последствиям, выражающимся в резком снижении качества изображения и появлении артефактов. На рис. 1.2.7 показан пример увеличения размеров пиксельного изображения: отчетливо видны зазубривание кромок и появление вдоль них размытой зоны.

Рис. 1.2.7. Увеличение размера изображения при работе с пиксельной информационной моделью

• При необходимости уменьшить размеры изображения при сохранении параметров растра (числа пикселов) устройство печати не сможет воспроизвести пикселы слишком малого размера, и часть визуальной информации утрачивается в процессе рендеринга. При сохранении размеров пикселов приходится выполнять повторное растрирование, что приводит к тем же результатам.

• Базовая пиксельная модель слабо структурирована. В отличие от векторной модели, в ней невозможно связать структурные части модели со структурными компонентами изображаемых объектов или сцен. Это приводит к значительным затруднениям при выделении таких компонентов для последующего редактирования. Из-за этого при работе с пиксельным графическим редактором много времени уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения.

• Если графический проект требует отпечатков крупного размера и большой четкости при высокой точности воспроизведения цвета, пиксельная информационная модель становится слишком громоздкой. Время обработки такой модели резко возрастает, и с ней приходится работать по частям.

• Артефакт

• Графический документ

• Графический проект

• Дескриптор

• Импорт

• Интерфейс пользователя

• Информационная модель изображения

• Метод информационной модели

• Пиксел

• Растр

• Растрирование

• Рендеринг

• Сканирование

• Сохранение

• Тесселяция

• Формат графического файла

• Экспорт

1. Чем определяются структура и размер дескриптора информационной модели изображения?

2. Какие роли играют данные и методы информационной модели изображения?

3. Каким образом реализуются методы информационной модели изображения?

4. В каком соотношении находятся информационные модели изображения и графического документа?

5. Чем обусловлено совместное существование нескольких форматов графических файлов?

6. Каковы основные этапы графического проекта?

7. Какова роль информационной модели изображения в работе над графическим проектом?

8. Что понимается под "пустой" информационной моделью для векторного и пиксельного изображений?

9. Для чего и на каких этапах в графических проектах используется клипарт?

10. Почему при работе над графическим проектом сканер и фотокамеру можно считать однотипными устройствами?

11. Какие операции могут выполняться над информационной моделью в процессе редактирования?

12. Какова роль графического редактора в работе над графическим проектом?

13. Из чего состоит графический интерфейс пользователя?

14. Почему пользовательские интерфейсы различных графических редакторов, предназначенных для работы с одной и той же информационной моделью изображения, отличаются друг от друга?

15. Для чего необходимо контрольное изображение?

16. Какова роль процедуры рендеринга?

17. Почему в процессе построения контрольного изображения рендеринг выполняется упрощенно?

18. Из-за чего контрольное изображение, построенное по информационной модели, не может быть точной копией отпечатка, полученного по той же модели?

19. Что происходит в процессе сохранения информационной модели изображения?

20. Каково назначение процедур импорта и экспорта?

21. Чему соответствуют в изображении дескрипторы векторной информационной модели изображения?

22. Почему структура дескрипторов векторной информационной модели изображения меняется от объекта к объекту?

23. Что представляют собой составные графические объекты векторной информационной модели изображения?

24. С какой целью графическим объектам векторной информационной модели изображения даются уникальные имена?

25. Что происходит при рендеринге векторной информационной модели изображения?

26. Почему выделение части изображения при работе с векторной информационной моделью выполняется проще, чем с пиксельной?

27. Вследствие каких операций в составе информационной модели изображения появляются артефакты и визуальный шум?

28. От чего зависит объем векторной информационной модели изображения?

29. По каким причинам интерфейсы пользователя графических редакторов для работы с векторными изображениями различаются сильнее, чем аналогичные интерфейсы редакторов для работы с пиксельными изображениями?

30. Какова основная причина, осложняющая автоматическую трассировку пиксельных изображений?

31. Каково содержание процедуры растрирования изображения?

32. Чем пиксел отличается от элемента растра изображения?

33. Каким образом выполняется растрирование изображения при построении пиксельной информационной модели? Что служит источником изображения?

34. Что такое "усреднение цветовой характеристики"?

35. Почему в дескрипторе пиксельной информационной модели нет необходимости указывать координаты соответствующего ему пиксела?

36. Почему в процессе построения пиксельной информационной модели и ее повторного растрирования неизбежно утрачивается часть визуальной информации?

37. Почему сложность изображения не оказывает влияния на размер соответствующей ему пиксельной информационной модели?

38. При каких условиях пиксельное изображение может быть реалистичным?

39. Почему масштабирование пиксельного изображения приводит к его искажениям?

40. Из-за чего значительная часть времени при работе с пиксельным графическим редактором уходит на выполнение вспомогательных операций выделения части изображения?

1. Задачи дизайна, в которых целесообразно преимущественное применение векторной информационной модели изображения.

2. Задачи дизайна, в которых целесообразно преимущественное применение пиксельной информационной модели изображения.

3. Автоматическое построение информационной модели изображения в художественном творчестве – "за" и "против".

4. Приемы работы над графическим проектом, позволяющие избежать масштабирования пиксельных изображений.

5. Какие дополнительные элементы следует ввести в пиксельный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки пиксельной модели изображения?

6. Какие дополнительные элементы следует ввести в векторный графический документ, чтобы скомпенсировать основные недостатки векторной модели изображения?

7. Графические проекты, в которых целесообразно совместное применение пиксельной и векторной моделей изображения.

8. Прикладные области компьютерной графики, в которых целесообразно применение той или иной информационной модели изображения.

1.3. Информационные модели цвета

В этой главе кратко рассматриваются феномен цвета, механизмы его образования и восприятия, а также устройство информационных моделей цвета, использующихся в компьютерной графике. Поскольку большинство вопросов, связанных с применением цвета в дизайнерских проектах и психологией его восприятия зрителем, рассматриваются в курсах цветоведения и основ визуальной коммуникации, здесь они практически не затрагиваются. Заключительные разделы главы посвящены вопросам, относящимся к точности воспроизведения цвета в компьютерной графике.

Термин «цвет», являясь весьма привычным, при пристальном рассмотрении оказывается связанным с очень сложными понятиями физики, физиологии и психологии, и дать его точное определение достаточно трудно. Для целей, преследуемых в компьютерной графике, цвет можно определить как характеристику визуального образа, возникающего в результате взаимодействия источника (источников) света, рассматриваемого объекта и наблюдателя.

Примечание

Отметим, что рассматриваемый объект может совпадать с источником света (например, экран монитора), а в качестве наблюдателя может выступать не только человек, но и прибор (например, колориметр, применяемый в процессе калибровки монитора). Тем не менее можно считать, что в отсутствие источника света, объекта или наблюдателя говорить о цвете не имеет смысла.