Графические редакторы

1. Введение

Введение

   Представление  данных на мониторе компьютера  в  графическом виде впервые  было реализовано в середине 50-х  годов для больших ЭВМ, применявшихся  в научных и военных исследованиях.  С тех пор графический способ  отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных  систем.

   Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир.

   Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы, в выпуске рекламной листовки или буклета. Иногда предприятия заказывают такую работу специальным дизайнерским бюро или рекламным агентствам, но часто обходятся собственными силами и доступными программными средствами.

 Без компьютерной  графики не обходится ни одна современная программа. Работа над графикой занимает до 90% рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения.

 Основные  трудозатраты в работе редакций  и издательств тоже составляют  художественные и оформительские работы с графическими программами.

 Необходимость  широкого использования графических  программных средств стала особенно  ощутимой в связи с развитием  Интернета и, в первую очередь,  благодаря службе World Wide Web, связавшей  в единую "паутину" миллионы "домашних страниц". У страницы, оформленной без компьютерной графики, мало шансов привлечь к себе массовое внимание.

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.

2. Понятия компьютерной графики.

Компьютерная графика – раздел информатики, занимающийся проблемами создания и обработки на компьютере графических изображений.

Само понятие компьютерной графики включает в себя следующие  основные понятия:

• Разрешение экрана. Это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows). Измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком.
• Разрешение принтера. Это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.
• Разрешение изображения. Это свойство самого изображения. Измеряется также в точках на дюйм и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером.
• Физический размер изображения может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины. Он создается при создании изображения и хранится вместе с файлом.
• Цветовое разрешение. Определяет метод кодирования цветовой и информации, и от него зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно.
• Цветовая модель. Это способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты. Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трех (RGB, CMYK, HSB).
• Цветовая палитра. Это таблица данных, в которой хранится информация о том, каким кодом закодирован тот или иной цвет. Самый удобный для компьютера способ кодирования цвета – 24-разрядный, True Color.
• Пиксель – минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.
• Графический формат – это способ сохранения графической информации в файле. Как и изображения, графические форматы делятся на растровые и векторные. Некоторые форматы привязаны к конкретным программам, другие же являются универсальными.

Самые известные растровые  форматы:

• BMP (bitmap) – стандарт для представления растрового изображения в MS Windows. Поддерживает  изображения с глубиной цвета 1 – 24 бит.
• TIFF (Tag Image File Format) – стандарт для передачи данных между программами и платформами. Основной формат, используемый в полиграфии. Поддерживает изображения с любой пиксельной глубиной.
• GIF (Graphics Interchange Format), GIF 89 a - используется для передачи индексированных цветных изображений и HTML-документов в сети WWW. Поддерживает изображения с глубиной цвета 8 бит.
• JPEG (Joint Photographic Experts Group) – используется для отображения фотографий и других тоновых изображений в сети WWW. Глубина – 24 бит (информация о цвете в RGB-изображении). Применяется эффективный алгоритм уплотнения, за счет чего файл занимает меньше места.
• CPT (Corel PHOTO-PAINT Image) – формат растрового редактора Corel PHOTO-PAINT. Используют при работе с растровой графикой в CorelDraw.
• PSD (PhotoShop Document) – используется в качестве промежуточного формата при работе в Photoshop,  а также при передаче данных в другие программы.
• PNG (Portable Network Graphics Format) – это формат разработанный для передачи данных изображений по сетям. Поддерживает глубину полноцветных изображений.

Самые известные векторные  форматы:

• WMF (Windows MetaFile) – стандарт для обмена векторной графикой в MS Windows.
• EMF (Enhanced MetaFile) – используется для обмена векторной графикой в MS Windows.
• CDR, CMX (CorelDraw Format) – форматы программы CorelDraw.
• FH(n) (FreeHand Format) – формат программы FreeHand, n – номер версии.
• Al (Adobe Illustrator) – формат программы Adobe Illustrator.

Универсальные форматы:

• EPS (Encapsulated PostScript) – международный универсальный формат, поддерживаемый большинством программ верстки и обработки иллюстраций. Может содержать векторную и растровую графику. Основан на языке PostScript. Поддерживает цвет и может включать в себя экранную версию.
• PS (PostScript) – язык описания страниц, встроен на программном уровне во многих принтерах, фотонаборных автоматах (ФНА) и печатных системах. Является универсальным межплатформенным форматом.
• PDF (portable Document Format) – используется программой Adobe Acrobat Reader, которая является основным средством электронного распространения документов на межплатформенным уровне. Разработан на основе языка PS. Используется для представления растровых и векторных изображений.

Графические редакторы

Для обработки изображений на компьютере используются специальные программы – графические редакторы. Несмотря на то, что в различных учебниках и учебных пособиях даются различные формулировки данного понятия, суть их одна и та же.

• Это программа создания, редактирования и просмотра графических изображений (Угринович Н. Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10 – 11 классов. – М.:БИНОМ, 2003. – стр. 310).
• Это программа, предназначенная для автоматизации процессов построения на экране графических изображений. Предоставляет возможности рисования линий, кривых, раскраски областей экрана, создания надписей различными шрифтами и т.д. (Шауцукова Л. З. Информатика: Учеб. пособие для 10-11 классов. – М.: Просвещение, 2003. – стр. 158)
• Это прикладная программа, предназначенная для создания и обработки графических документов (Федорова А. В. CorelDraw. Экспресс-курс. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 400 стр.).

Графические редакторы  также можно разделить на две  категории: растровые и векторные.

Растровые изображения  (bitmap)

Растровые изображения  состоят из множества точек – пикселей.            В терминологии машинной графики (отрасли практической информатики, занимающейся автоматизацией построения изображений и их обработки с помощью компьютеров) растровые или точечным изображением принято называть массив пикселей — одинаковых по размеру и форме плоских геометрических фигур (чаще всего — квадратов или кругов), расположенных в узлах регулярной (то есть состоящей из ячеек одинаковой формы и размера) сетки. Каждый пиксель имеет свой цвет (обычно цвета кодируются числами фиксированной разрядности) и заданное положение в структуре изображения. Представление растрового изображения в памяти компьютера - это массив сведений о цвете всех пикселей, упорядоченный определенным образом (например, по строкам, как в телевизионном изображении). Наиболее близким аналогом такого явления виртуального мира, как пиксельное изображение, в реальном мире является мозаика. Другой пример пиксельных изображений — так называемые японские кроссворды. Пиксельные изображения встречаются в искусстве: посетив в Санкт-Петербурге Исаакиевский собор, Храм Воскресения Христова (Спас на крови), Русский музей или Эрмитаж, легко убедиться, что техника работы с пиксельными изображениями была доведена до совершенства задолго до появления первых компьютеров.

 При редактировании изображения изменяются по сути эти самые пиксели. При увеличении растрового изображения пиксели деформируются, и изображение может превращаться в увеличенную карикатуру исходного.

Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать

- разрешение оригинала,

- разрешение экранного изображения,

- разрешение печатного изображения

Разрешение оригинала  измеряется в точках на дюйм (dots per inch - dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки или методу создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требования к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

Разрешение экранного  изображения. Для экранных копий  изображения элементарную точку  растра принято называть пикселем. Размер пикселя варьируется в  зависимости от выбранного экранного  разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешения оригинала и масштаба отображения.

Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном  или лазерном принтере 150-200 dpi, для  вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200-300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.

    Разрешение печатного изображения и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т д), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch - Ірі) и называется линиатурой.

   Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM). Существует и метод растрирования с частотной модуляцией (ЧМ), когда интенсивность тона регулируется изменением расстояния между соседними точками одинакового размера. Таким образом, при частотно-модулированном растрировании в ячейках растра с разной интенсивностью тона находится разное число точек. Изображения, растрированные ЧМ-методом, выглядят более качественно, так как размер точек минимален и во всяком случае существенно меньше, чем средний размер точки при АМ-растрировании, Еще более повышает качество изображения разновидность ЧМ-метода, называемая стохастическим растрированием. В этом случае рассчитывается число точек, необходимое для отображения требуемой интенсивности тона в ячейке растра. Затем эти точки располагаются внутри ячейки на расстояниях, вычисленных квазислучайным методом (на самом деле используется специальный математический алгоритм). То есть регулярная структура растра внутри ячейки, как и на изображении в целом, вообще отсутствует. Поэтому при стохастическом ЧМ-растрировании теряет смысл понятие линиатуры растра, имеет значение лишь разрешающая способность устройства вывода. Такой способ требует больших затрат вычислительных ресурсов и высокой точности полиграфического оборудования.

Векторные изображения (vector). 

Векторным изображением в компьютерной графике принято называть совокупность более сложных и разнообразных геометрических объектов. Векторные изображения формируют объекты. По сути, они состоят из линий и кривых, которые можно рассчитать математически. По этой причине векторные изображения можно увеличивать или уменьшать до произвольных величин, при этом они всегда остаются пропорциональными копиями исходного изображения, с сохраненной исходной четкостью.

       Номенклатур  таких объектов может быть  более или менее широкой, но, как правило, в неё включаются простейшие геометрические фигуры (круги, эллипсы, прямоугольники, многоугольники, отрезки прямых и дуги кривых линий).

 Важнейшая особенность  векторной графики состоит в  том, что для каждого объекта  определяются управляющие параметры, конкретизирующие его внешний вид. Например, для окружности такими управляющими параметрами являются диаметр, цвет, тип и толщина линии, а также цвет внутренней области. Представление векторного изображения в памяти компьютера сложнее, чем пиксельного (хотя, как правило, при этом оно намного компактнее). Несколько упрощая, можно считать, что оно является перечнем всех объектов, из которых составлено изображение, причем для каждого объекта указано, к какому классу объектов он принадлежит, и Приведены значения всех управляющих параметров.

Подобрать аналог векторному изображению в реальном мире не так-то просто. Впрочем, на эту роль вполне может претендовать тот человечек, которого в детстве рисовали, наверное, все, приговаривая: «Точка, точка, запятая, минус, рожица кривая, палка, палка, огуречик...». Последняя фраза, по сути дела, представляет собой перечисление объектов векторного изображения.

В школьной программе  векторные изображения появлялись на уроках геометрии, черчения и математики (графики функций).

Процесс вывода пиксельного  изображения на экран или бумагу достаточно прост - на экране пикселю  соответствует группа из трех частиц люминофора, светящихся различными цветами, принтер изображает пиксели капельками чернил или пятнами тонера (красящего  порошка). К устройствам, непосредственно фиксирующим векторные изображения, относятся, только довольно редко встречающиеся вне стен конструкторских бюро графопостроители. Почти всегда векторное изображение перед выводом (или непосредственно в процессе вывода) преобразуется в точечное — в компьютерной графике этот процесс называется рендерингом.

Рендеринг представляет собой частный случай преобразования векторного изображения в пиксельное — растрирования после слияния  слоев без сохранения результата в файле.