Средства и технологии обработки графической информации

42

СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

ПОНЯТЬ

К аппаратным средствам создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.) относятся в основном:

• монитор и видеокарта, поддерживающая графический режим отображения;

• видеоадаптеры (видеоускорители), ускоряющие выполнение графических операций и тем самым “разгружающие” центральный процессор;

• 3D-акселераторы, способные самостоятельно, без участия процессора, рассчитывать взаимное расположение фигур в трехмерном пространстве и в реальном масштабе времени отображать требуемую двухмерную проекцию на экране монитора;

• манипуляторы “мышь” без которых не мыслится работа большинства современных программных средств работы с графикой;

• сканеры как устройства оцифровки графических изображений;

• дигитайзеры (совместно со световым пером и графическим планшетом), преобразующие в векторный формат изображение, полученное в результате передвижения руки оператора;

• принтеры и графопостроители (плоттеры) в качестве основных устройств вывода графических изображений.

К программным средствам создания и обработки графических изображений относятся:

- графические редакторы;

- аниматоры;

- программные средства для работы с трехмерной графикой;

- средства деловой графики;

- средства для создания презентаций, функции которых часто совмещают функции вышеперечисленных средств.

Эти средства могут встречаться в виде:

• отдельных самостоятельных программ (чаще всего это графические редакторы);

• отдельных модулей, входящих в состав других программных средств (например, “Мастер диаграмм” как составная часть текстового процессора или электронных таблиц);

• сложного комплекса программных модулей (большинство ПС для работы с трехмерной графикой, средства автоматизированного проектирования и т.п.).

Программы компьютерной графики и анимации представляют профессиональный интерес для художников и дизайнеров, полиграфистов и кинематографистов, разработчиков компьютерных игр и создателей образовательных программ, клип-мейкеров и ученых, а также любых специалистов, которым необходимо создавать, использовать и обрабатывать самые разнообразные изображения.

По своему "профессиональному" назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы:

• пакеты компьютерной графики для полиграфии - позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;

• программы двумерной компьютерной живописи - графические редакторы;

• презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений, рекламных акций;

• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;

• программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;

• пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;

• комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спецэффектов на видеозапись;

• программы для научной визуализации.

Графические редакторы (Painter, Adobe Photoshop, Adobe Illustrator, Corel Draw, FreeHand, Picture Man и др.) предназначены преимущественно для просмотра, создания и редактирования плоскостных (двумерных) статичных изображений.

Используются и как самостоятельные средства, и в качестве одного из модулей дизайнерских, презентационных или анимационных программ.

Э
тот класс программ часто носит название 2D-графика (D от англ. dimension - размерность). Они моделируют различные кисти (карандаш, ручка, уголь, аэрограф и др.), позволяют имитировать рисунки акварелью и маслом, а также добиться эффекта натуральной среды.

Рис. Рисунок, созданный в графическом редакторе

Пользовательское меню чаще всего включает в себя возможность выбора:

• цвета линий и фона;

• толщины и типа линий;

• инструментов (графические примитивы, сопровождение надписями, средства выделения фрагмента изображения и пр.);

• простейших эффектов преобразования выделенного фрагмента (копирование, удаление симметричное отображение, масштабирование, наклон, растушевка и пр.);

• -операций над изображением в целом (сохранить на внешнем носителе, установить атрибуты изображения - размер, цветность, формат файла и пр., вывести на печать и т.п.);

• операций над слоями изображения (наложение слоев, использование прозрачности слоя и пр.).

Применение всевозможных эффектов базируется на алгоритмах, результаты работы которых заключаются в преобразовании цветов отдельных пикселей изображения в соответствии с определенными математическими формулами.

ПРИМЕР

Редактор PhotoShop5.0 включает в себя в качестве инструментов для обработки изображений разнообразные эффекты.

Применяя последовательно поворот изображения на 90^о, эффект “ветер”, обратный поворот на 90^о, эффект “Дрожание”, эффект “Размытие”, и смену палитры, можно из обычного текста получить изображение “огненной” надписи.

Рис. 1. “Огненная” надпись из обычного шрифта

Последовательно применяя к белому “листу” фильтр “облака”, стиль “найти края” и выбрав режим автоматического подбора уровней черного и белого цвета можно получить вполне реалистичное изображение каменистой поверхности.

Рис. 2. “Камень” из “облаков”

Большинство графических редакторов “создают” растровые (точечные) изображения, хотя имеют возможности работать и с векторной графикой. Программы-аниматоры и трехмерной графики часто используют векторный способ кодирования изображений. Это связано с тем, что при использовании растровой графики существенную часть работы по построению изображения надо делать вручную, в том числе прорисовывать промежуточные кадры в анимации.

Настоящее объемное (трехмерное, 3D) изображение проще создать с помощью векторной графики. Этот метод больше походит на черчение, причем часто трехмерное. С помощью векторной графики объекты строятся из так называемых "примитивов" - линий, окружностей, кривых, кубов, сфер и т.д. Примитив не нужно рисовать - выбрав пиктограмму с изображением или названием, например, сферы, вы просто задаете ее параметры (координаты центра, радиус, количество граней на поверхности и т.п.), а уж компьютер чертит ее сам.

Технологию создания трехмерного изображения можно разделить на три основных этапа.

1. На первом этапе, который называется каркасная аппроксимация, строится каркас будущего изображения - производится разбивка всех криволинейных поверхностей на пространственную сеть, состоящую из двумерных граней. Чем мельче это разбиение, тем более правдоподобно будет выглядеть картинка.

2. Стадия геометрических построений поверхностей включает построение сцены: заполнение поверхностей, создание перспективы, учет влияния источников света и пр.

3. На заключительном выбираются материалы (текстуры), в соответствии с которыми происходит раскраска поверхностей, и запускается процесс визуализации (Rendering), то есть довольно длительная процедура построения реалистичного изображения по созданной каркасной модели и указанным материалам.

Процесс создания трехмерного объекта и его преобразование в двумерное представление осуществляется совместно центральным процессором и графическим процессором, расположенным на карте видеоадаптера или 3D-акселератора. При этом координаты объекта сначала преобразуются в физические, а затем в 2D-координаты экрана монитора (путем построения различных ортогональных и аксонометрических проекций). После этого 3D-акселератор выполняет раскраску и заполнение каждого пикселя изображения.

Рис. 3 Поэтапное создание трехмерного изображения

Программы аниматоры (Animator Pro, PowerAnimator, Animation Works Interactive, Animo и др.) могут создавать и работать как с двумерными, так и с трехмерными изображениями.

В отличие от традиционной анимации, где каждый кадр рисуется вручную, в компьютерной двумерной анимации значительную часть рутинной работы берет на себя программа.

ПРИМЕР

Используя специальные инструменты пользовательского меню программы можно задать движение по траектории (программа создаст соответствующие промежуточные кадры) или плавно изменить палитру в течение нескольких кадров (например, постепенно затемнить изображение или убрать часть цветов).

Рис. 4. Этапы задания движения выделенного объекта-спрайта

Некоторые технологии создания анимационной графики.

Классическая анимация

Это метод представляющий собой поочередную смену рисунков, каждый из которых нарисован отдельно (принцип мультфильма). Этот метод очень трудоемкий из-за необходимости создания каждого рисунка.

Спрайтовая анимация

Это анимация, чаще реализуемая при помощи языка программирования или специального инструментального средства. В спрайтовой анимации отсутствует понятие кадра (принцип подвижных игр). Спрайт представляет собой растровое изображение небольшого размера, которое может перемещаться по экрану независимо от остального изображения.

Морфинг

Преобразование одного графического образа в другой. Часто выполняется программно. Программа, реализующая специальные математические методы преобразования данных, генерирует заданное число промежуточных кадров, которое обеспечивает плавный переход начального образа в конечный.

Анимация цветом

Положение объектов не изменяется, меняется лишь цвет.

Трехмерная анимация (3D Studio, PowerAnimator, trueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas и др.) по технологии напоминает кукольную: вы создаете каркасы объектов, накладываете на них материалы, компонуете все это в единую сцену, устанавливаете освещение и камеру, а затем задаете количество кадров в фильме и движение предметов. Посмотреть происходящее можно с помощью камеры, которая тоже может двигаться.

ПРИМЕР

3D Studio позволяет работать с неограниченным числом камер с масштабированием изображения в реальном времени, подвижными камерами; возможно управление углом зрения, а также моделирование крупноформатной камеры с изменяющейся перспективой.

У 3D Studio несколько впечатляющих способов работы со светом, например лучевой источник света, имитирующий падение солнечного света с образованием теней; подсветка неподвижных и движущихся цветных растровых образов и т.д.

Движение объектов в трехмерном пространстве задается по траекториям, ключевым кадрам и с помощью формул, связывающих движение частей сложных конструкций. Подобрав нужное движение, освещение и материалы, вы запускаете процесс визуализации. В течение некоторого времени компьютер просчитывает все необходимые кадры и выдает вам готовый фильм.

Недостаток, следующий из такой техники создания изображения, - это чрезмерная гладкость форм и поверхностей и некоторая механистичность движения объектов.

Правда, эти проблемы преодолимы. В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов. Для создания "неровных" объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц. Вводятся разнообразные методы “оживления”, возникают новые технологии совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, используются инструменты точной синхронизации звука и изображения, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными.

ПРИМЕР

PowerAnimator использует как один из методов “оживления” движение по подобию. Записав на цифровую видеокамеру движения живого актера, можно “заставить” созданного в аниматоре персонажа повторять их с помощью специальной функции. В результате гном из “Белоснежки” будет двигаться с изяществом выбранного актера. А если что-то не понравиться, есть возможность подредактировать все по ходу дела.

Технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать ее в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвертом.

Программы двумерного и трехмерного моделирования (AutoCAD, Sketch!, Ray Dream Designer, Crystal 3D Designer, AutoStudio и др.) применяются для дизайнерских и инженерных разработок.

AutoCAD часто рассматривают как графическое ядро систем автоматизированного проектирования (САПР): он реализует основные операции по созданию и редактированию линий, дуг и текста, создает 2D- и 3D-модели; автоматизирует решение многих расчетных задач, возникающих в процессе проектирования.

В Auto Studio к “традиционным” методам трехмерной графики добавлены средства редактирования моделей и анимации, разработанные специально для дизайнеров автомобилей.

Средства компьютерного графического моделирования используются конструкторами и архитекторами. Широко применяются они и в научных исследованиях.

Рис. 4. Моделирование работы сердца

Программы для научной визуализации (Surfer, Grapher, IRIS Explorer, PV-Wave, Khronos, Data Visualizer, MapViewer и др.) могут быть предназначены для различных целей - от решения проблем муниципального планирования до визуализации солнечных взрывов.

Наиболее часто они применяются:

• для создания поверхностей, описываемые функциями типа z=f(x,y), и графиков, описываемых функциями типа y=f(x);

• для построения цветных карт;

• для создания моделей погодных условий и океана и т.п.

ПРИМЕР

Пакет MapViewer позволяет вводить и корректировать карты - изменять масштаб, преобразовывать координаты, а также обрабатывать и выводить в графическом виде числовую информацию, связанную с картами - например, демографические данные.

С помощью пакета Earth Watch можно моделировать и демонстрировать трехмерную картину метеоусловий над Землей, строить топологические поверхности по космическим снимкам и давать прогноз погоды на неделю вперед.

ЗНАТЬ

К аппаратным средствам создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.) относятся в основном:

• монитор и видеокарта, поддерживающая графический режим отображения;

• видеоадаптеры (видеоускорители);

• 3D-акселераторы;

• манипуляторы “мышь”;

• сканеры;

• дигитайзеры;

• принтеры и графопостроители (плоттеры).

К программным средствам создания и обработки графических изображений относятся:

• программы двумерной компьютерной живописи - графические редакторы, предназначенные преимущественно для создания и обработки плоскостных (двумерных) статичных изображений;

• средства деловой графики;

• пакеты компьютерной графики для полиграфии - позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством; презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений, рекламных акций;

• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;

• программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;

• пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;

• программы для научной визуализации.

УМЕТЬ

ЗАДАНИЕ 1

Определите, с каким типом графики - векторной или растровой - работает графический редактор, установленный на вашем компьютере. Обладает ли он хотя бы некоторыми функциями аниматора?

ЗАДАНИЕ 2

Посмотрите на рисунок.

Окружности 2а и 2б получены “сжатием” рисунков 1а и 1б, соответствено, в 2 раза по вертикали и горизонтали. Окружности 3а и 3б получены “растяжением” рисунков 2а и 2б, соответственно, тоже в два раза по вертикали и горизонтали. Но окружность 3а отличается от 1а. Это несоответствие, “необратимость” рисунков, полученных путем противоположных преобразований, часто встречается при использовании растровой графики. Серия 1б, 2б, 3б - это преобразования, сделанные в векторной графике.

Проделайте подобное “сжатие-растяжение” в графическом редакторе, установленном на вашем компьютере (если он предоставляет вам такую возможность). Отличается первоначальное изображение от конечного и почему?

ЗАДАНИЕ 3

Создайте в графическом редакторе или аниматоре выбранное вами изображение. Опишите технологию его создания по аналогии со следующим примером.

Технология создания восьмиконечной звезды в редакторе Paintbrush.

1. В меню ПАРАМЕТРЫ / АТРИБУТЫ ОБРАЗА установите ширину изображения 8 см, высоту - 8 см, цвета - черно-белый.

2. Выбирете инструмент “Незакрашенная окружность”, толщину линии в 1 пиксел.

3. Удерживая нажатой клавишу Shift (переключатель регистров), нарисовать окружность.

4. Выбрать инструмент “Прямая линия”. Удерживая нажатой клавишу Shift, провести через центр окружности перпендикулярные прямые (Рис.1).

5. При нажатой клавише Shift провести прямую из центра окружности под углом 45^О вправо вверх (Рис. 2)

6. При нажатой клавише Shift провести прямые так, как это показано на рисунке 3.

7. Выбрать инструмент “Ластик”, осторожно удалить лишние линии (см. рис. 4). Более точное удаление ненужных линий и точек произвести с помощью меню ПРОСМОТР / ПРИБЛИЗИТЬ. (Щелчок левой клавишей мыши ставит точку, правой - стирает). Возврат в обычный режим просмотра осуществить через пункты меню ПРОСМОТР / ОТОДВИНУТЬ (Рис. 4).

8. Выбрать инструмент “ножницы” и выделить полученное изображение. Удерживая нажатой клавишу Ctrl, с помощью мыши скопировать выделенный фрагмент на свободную область листа.

9. Выбрать пункты меню ПРЕОБРАЗОВАНИЯ / ПОВЕРНУТЬ ПО ГОРИЗОНТАЛИ. “Перевернутый” выделенный фрагмент с помощью мыши переместить к исходному рисунку до совмешения вертикальных и горизонтальных линий “основы” (Рис. 5).

10. Повторить пункт 8.

11. Повторить пункт 9, но теперь повернуть фрагмент по вертикали (Рис. 6).

12. Вновь выделить (при нажатой клавише Shift) полученное изображение.

13. Выбрать пункты меню ПРЕОБРАЗОВАНИЯ / СЖАТЬ+РАСТЯНУТЬ. На свободном месте листа выделить квадратную область меньшего размера (при нажатой клавише Shift, чтобы не нарушить пропорций - Рис. 7).

14. Выделить полученное изображение и переместить его с помощью мыши до наложения осевых линий преобразованного и исходного изображений (Рис. 8).

15. С помощью меню ПРАВКА / ПРИБЛИЗИТЬ откорректировать рисунок (если это необходимо).

ЗАДАНИЕ 4

Если на вашем компьютере установлены программа аниматор или программа создания трехмерной графики, опишите технологию создания какого-либо изображение с их помощью.