Векторная и растровая графика

Векторная и растровая графика
Введение
Компьютерная графика подразделяется на два основных класса:
векторную и растровую.
Существует множество форматов, сохраняющих изображения (как
статические, так и анимационные). За 25 лет существования
различных типов графических файлов одни эволюционировали,
другие исчезали и заменялись другими форматами.
Почему же не существует единого, универсального формата
изображений? Потому что в различных ситуациях применяются
разные типы. Например, в тех областях, где необходимо высокое
качество изображения (полиграфия, фотодело) используются
форматы, дающие максимально высокое разрешение чёткости и
цвета (например, форматы TIFF и BMP). В интернете же часто
нецелесообразно использовать очень большие по размеру файла
изображения, поэтому там применяются форматы, где использовано
сжатие файла, с некоторым ухудшением качества картинки
(форматы JPEG, GIF). Можно привести пример: картинку в формате
BMP, нарисованную графическим редактором PAINT, можно
преобразовать в формат JPEG так, что его файл уменьшится в 100 и
даже более раз, причём качество картинки может снизится
незначительно.
Ве́кторная гра́фика (другое название — геометрическое
моделирование) — это использование геометрических примитивов,
таких как точки, линии, сплайны и многоугольники, для
представления изображений в компьютерной графике. Термин
используется в противоположность к растровой графике, которая
представляет изображения как матрицу пикселей (точек).
Современные компьютерные видеодисплеи отображают
информацию в растровом формате. Для отображения векторного
формата на растровом используются преобразователи, программные
или аппаратные, встроенные в видеокарту.
Кроме этого, существует узкий класс устройств, ориентированных
исключительно на отображение векторных данных. К ним относятся
мониторы с векторной развёрткой, графопостроители, а также
некоторые типы лазерных проекторов.
2. Векторная графика
Векторная графика имеет ряд преимуществ перед растровой.
Так, растровые изображения плохо масштабируются, тогда как
векторные изображения могут быть неограниченно увеличены без
потери качества.
Рассмотрим, к примеру, окружность радиуса r. Список информации,
необходимой для полного описания окружности, таков:
радиус r;
координаты центра окружности;
цвет и толщина контура (возможно прозрачный);
цвет заполнения (возможно прозрачный).
Преимущества этого способа описания графики над растровой
графикой:
Минимальное количество информации передаётся намного
меньшему размеру файла (размер не зависит от величины объекта).
Соответственно, можно бесконечно увеличить, например, дугу
окружности, и она останется гладкой. С другой стороны, если
кривая представлена в виде ломаной линии, увеличение покажет,
что она на самом деле не кривая.
При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может
быть постоянной.
Параметры объектов хранятся и могут быть изменены. Это означает,
что перемещение, масштабирование, вращение, заполнение и т. д. не
ухудшат качества рисунка. Более того, обычно указывают размеры в
аппаратно-независимых единицах (англ. device-independent unit),
которые ведут к наилучшей возможной растеризации на растровых
устройствах.
У векторной графики есть два фундаментальных недостатка.
Не каждый объект может быть легко изображен в векторном виде.
Кроме того, количество памяти и времени на отображение зависит
от числа объектов и их сложности.
Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного
пути, как правило, нет — трассировка растра обычно не
обеспечивает высокого качества векторного рисунка.
Конечно же, если информмация об объекте записывается в виде
линий, многоугольников, окружностей, ломаных и т.д., а не в виде
изображения, состоящего из точек (как, например, формат BMP), то
и файл с векторной графикой будет намного компактней, при этом
его можно масштабировать (увеличивать в любое число раз).
Векторные графические редакторы, типично, позволяют вращать,
перемещать, отражать, растягивать, скашивать, выполнять основные
Аффинные преобразования над объектами, изменять z-order и
комбинировать примитивы в более сложные объекты.
Более изощрённые преобразования включают булевы операции на
замкнутых фигурах: объединение, дополнение, пересечение и т. д.
Векторная графика идеальна для простых или составных рисунков,
которые должны быть аппаратно-независимыми или не нуждаются в
фотореализме. К примеру, PostScript и PDF используют модель
векторной графики.
2.1. Редакторы векторной графики
Векторные графические редакторы позволяют пользователю
создавать и редактировать векторные изображения непосредственно
на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных
форматах, например, EPS, PDF, WMF или SVG.
Adobe Illustrator
Adobe Illustrator — векторный графический редактор,
разработанный и распространяемый фирмой Adobe Systems (прил.
2).
CorelDraw
CorelDRAW — векторный графический редактор, разработанный
канадской корпорацией Corel (прил. 3).
Одна из последних версий продукта — CorelDRAW Graphics Suite
X4, доступна только для Microsoft Windows. Более ранние версии
выпускались также для Apple Macintosh и для GNU/Linux.
Последняя версия для GNU/Linux — 9-я версия, выпущеная в 2000
году. В 2002 году вышла последняя 11-я версия для Macintosh.
Рассмотрим подробней работу с векторной графикой на редакторе
CorelDraw.
Характеристика программы, интерфейса.
CorelDraw предназначен для работы с векторной графикой и
является
несомненным
лидером
среди
подобных
программ.
Популярность CorelDraw объясняется большим набором средств
создания
и
редактирования
графических
образов,
удобным
интерфейсом и высоким качеством получаемых изображений. С его
помощью можно создавать как простые контурные рисунки, так и
эффективные иллюстрации с поражающим воображение переливом
красок и ошеломляющими эффектами. CorelDraw уникален, т.к. он
обладает и интуитивностью, понятностью, универсальностью, и ни с
чем не сравнимой привлекательностью, делающей его доступным и
востребованным
для
пользователей-непрофессионалов
всех
возрастов и профессий. С другой стороны, этот редактор очень
мощный, в него включен весь набор профессиональных функций,
реализованных на высоком программном уровне, что делает его
основной
программой,
использующейся
профессионалами
в
большинстве издательств, типографий и фирм, занимающихся
допечатной подготовкой. Эта программа доступна для всех
пользователей,
по
ней
существует
много
русскоязычной
и
переводной литературы.
Основным понятием в редакторе является понятие объекта.
Векторным объектом называется элемент изображения: прямая,
кривая, круг, прямоугольник и т.д. При помощи комбинации
нескольких объектов можно создавать группы объектов или новый
сложный
единый
объект,
выполнив
операцию
группировки.
Независимо от внешнего вида любой векторный объект имеет ряд
общих характеристик. Область внутри замкнутого объекта можно
залить одним цветом, смесью цветов или узором. У замкнутого
объекта не может быть различных заливок или соединительных
линий различной толщины и разных цветов.
Редактор CorelDraw позволяет вставлять растровые рисунки в
документ. При этом каждый растровый рисунок является отдельным
объектом и его можно редактировать независимо от других
объектов. Хотя CorelDraw предназначен для обработки векторной
графики, он располагает мощными средствами для работы с
растровыми рисунками, причем они не хуже, чем у многих
редакторов растровой графики.
Данная программа также имеет средства для работы с текстом.
Благодаря множеству видов форматирования фигурного и простого
текста как объекта, прямо в редакторе можно создавать рисунки с
текстовым сопровождением. При этом фигурный текст позволяет
выполнять над ним операции, присущие векторным объектам.
CorelDraw имеет стандартный интерфейс1, характерный для
всех программ, работающих под управлением MS Windows. В то же
время на экране присутствует ряд элементов, характерных только
для графических программ.
На экране при запуске программы отображаются два окна:
окно самой программы и окно документа. При работе с программой
можно одновременно работать с несколькими окнами документов. В
верхней
части
окна
программы
находится
основное
меню
программы. Работают с ним так же, как и в других программах. Для
альтернативного
выполнения
команды
можно
использовать
комбинацию клавиш. В CorelDraw существует удобная возможность
наряду со стандартными назначать собственные комбинации клавиш
различным командам. Работать можно также с контекстным меню,
вызываемым правой кнопкой мыши.
Под строкой меню находятся две основные панели:
1. Стандартная панель. Одна из 12 командных панелей. Такие
панели характерны для многих
управлением
MS
Windows.
программ, работающих под
Размещенные
на
ней
значки
обеспечивают быстрый доступ к стандартным командам.
2. Панель свойств. Является контекстно-зависимой панелью.
Это значит, что ее значки и списки динамически изменяются в
зависимости от режима работы, активного инструмента и типа
выделенного объекта. Таким образом обеспечивается доступ к
наиболее важным командам, связанным с выбранным объектом или
инструментом.
Под интерфейсом (от англ. Inter – между, face – лицо) в компьютерной практике обычно
понимаются методы и средства общения пользователя с программой.
1
Далее, в окаймлении линеек, которые нужны для ориентации в
пространстве, и полос прокрутки, необходимых для прокрутки
документа, идет рабочее пространство программы. Оно состоит из
печатной страницы и монтажного стола. Монтажный стол служит
для создания и размещения элементов.
В левой части нижней полосы прокрутки находятся элементы
управления страницами: кнопки добавления страниц, прокрутки
страниц, счетчик страниц и ярлычки страниц. Все это называется
Навигатор документа.
В самом низу окна программы находится строка состояния,
или статус-строка. В полях строки состояния выводится различная
справочная информация: положение указателя мыши, список
клавиатурных сокращений, сведения о текущем объекте. В правой
части строки состояния отображается информация о текущей
заливке и текущем контуре.
В левой части экрана находится элемент, который можно
назвать основным элементом интерфейса, без которого работа в
программе вряд ли возможна – это панель инструментов. Она
содержит
60
инструментов
для
создания,
форматирования,
редактирования объектов и управления рабочей средой.
В правой части экрана находится цветовая панель, которая
применяется для заливки объектов цветом и изменения цветовых
составляющих обводки.
В любой программе существуют вспомогательные элементы
интерфейса. Для программ векторной графики характерно наличие
трех видов вспомогательных элементов:
1. Линейки. По ним происходит ориентация в пространстве.
2. Направляющие. Это вспомогательные линии, которые
можно размещать на экране для удобства выравнивания и
размещения основных элементов изображения.
3. Сетка.
горизонтальные
Представляет
и
собой
вертикальные
пересекающиеся
вспомогательные
линии,
размещенные с фиксированным шагом. Сетку удобно использовать
тогда, когда объектом работы является какая-либо схема, таблица,
карта или чертеж.
Также на экране могут располагаться и некоторые другие
элементы.
Технологические возможности программы.
Создание объектов.
Рисование прямоугольников и эллипсов.
Способ
прямоугольник
эллипс
рисования
Обычный
Выбрать
инструмент Активизировать
Прямоугольник
на
инструментов
и
панели Эллипс.
инструмент
Выбрать
один
из
поместить вариантов (эллипс, сектор или
курсор в область рабочего дуга) на панели свойств. При
пространства. Нажать кнопку рисовании сектора или дуги
мыши и перемещать мышь до выбрать вариант По часовой
тех пор, пока прямоугольник стрелке
не
достигнет
/
Против
часовой
нужных стрелки на панели свойств.
размеров.
По трем точкам
Выбрать
инструмент Выбрать инструмент Эллипс
Прямоугольник
по
трем по трем точкам. Дальнейшее
точкам.
Щелкнуть
левой рисование
происходит
кнопкой мыши в любой точке аналогичным образом. Только
рабочего пространства и с на
первом
этапе
нажатой кнопкой перетащить диагональ
указатель
в
направлении
для
стороны
рисуется
(центральная
любом линия) эллипса.
создания
прямоугольника.
Отпустить кнопку мыши и
растянуть
указатель
появления
требуемого
прямоугольника.
завершить
до
Чтобы
рисование
закрепить
и
размеры
прямоугольника
щелкнуть
нужно
левой
кнопкой
мыши.
Преобразование
Скругление углов. Выбрать Создание дуги или сегмента.
инструмент Форма, щелчком инструментом
мыши
Форма
выделить выделить эллипс. В верхней
прямоугольник и потянуть за части эллипса будет находится
один
из
появившихся узел.
маркеров вдоль стороны.
Для
создания
дуги
переместите узел при нажатой
левой
кнопке
эллипса
мыши
наружу,
а
из
для
преобразования в сегмент –
вовнутрь.
Точно так же, как прямоугольники и эллипсы, создаются и
другие простые фигуры (кнопки От руки, Многоугольник и
Автофигуры на панели инструментов). Поскольку фигуры могут
быть разными, следует перед рисованием их настроить (в окне
Options, вызванном двойным щелчком мыши по соответствующему
значку). При помощи данных инструментов мы можем построить
различного вида спирали, многоугольники, звезды, блок-схемы,
выноски, стрелки, прямые, кривые, размерные линии, кривые Безье
и др.
Выделение объектов.
После
создания
любого
объекта
наступает
этап
редактирования, во время которого мы преобразуем объект в
соответствии с нашими требованиями. Перед этим необходимо его
выделить.
При создании объекта вокруг него появляются черные
прямоугольники (маркеры выделения), т.е. он уже выделен. Однако
для выделения других объектов следует выполнить ряд действий.
Для выделения отдельного объекта необходимо выбрать
инструмент Указатель, а затем щелкнуть мышкой на выбранном
объекте. Для снятия выделения нужно щелкнуть в любой позиции на
рабочей странице.
Если необходимо выделить все объекты сразу, нужно дважды
щелкнуть на кнопке Указатель или выполнить команду Правка –
Выделить Все - Объекты. Все объекты будут выделены.
Если
необходимо
выделить
несколько
из
некоторого
множества объектов, нужно выделить первый объект, затем при
нажатой клавише Shift выделить остальные, щелкая мышью
последовательно на контуре каждого.
Также один или группу объектов можно выделить, обведя их
рамкой выделения.
После выделения нескольких объектов можно работать с
ними, как будто они являются одним единым объектом.
Трансформация объектов.
Когда
говорят
об
операциях
трансформирования
или
преобразования, то имеют в виду операции, при которых происходит
изменение взаимного положения отдельных частей объекта и их
размеров, но не изменяется форма контуров отдельных частей
объектов.
Другие векторные графические редакторы
Macromedia FreeHand — векторный графический редактор,
разработанный фирмой Macromedia как для Microsoft Windows, так
и для Mac OS.
Xara Xtreme
Strokes Maker
Inkscape
OpenOffice.org Draw
Skencil
3. Растровая графика
Растровое изображение, цифровое изображение — это файл
данных или структура, представляющая прямоугольную сетку
пикселей или точек цветов на компьютерном мониторе, бумаге и
других отображающих устройствах и материалах.
При использовании растровой графики важным элементом является
размер полотна (canvas), тип цветопередачи (например, RGB),
количество используемых цветов.
3.1. Редакторы растровой графики
Одним из самых популярных и известных редакторов является
Adobe Photoshop, который позволяет эффективно использовать
все преимущества растровой графики.
Его конкурент из приложений разрабатываемых по лицензии
GNU General Public License — GIMP.
Microsoft Paint — один из простейших редакторов растровой
графики; поставляется вместе с ОС Microsoft Windows.
3.2 Форматы растровой графики
BMP (Bitmap — русск. битовая карта) — формат хранения
растровых изображений. Изначально формат мог хранить только
аппаратно-зависимые растры (англ. DDP — Device Dependent
Bitmap), но с развитием технологий отображения графических
данных формат BMP стал преимущественно хранить аппаратнонезависимые растры (англ. DIB — Device Independent Bitmap).
С форматом BMP работает огромное количество программ, так как
его поддержка интегрирована в операционные системы Windows и
OS/2. Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle.
Кроме того, данные этого формата включаются в двоичные файлы
ресурсов RES и в PE-файлы.
Глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на
пиксель, максимальные габариты изображения 65535×65535
пикселей. В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму
RLE, но, несмотря на это, из-за большого объёма он редко
используется в Интернете.
GIF (англ. Graphics Interchange Format — формат для обмена
изображениями; произносится /dʒɪf/, но многие произносят /gɪf/ или
«гиф»[1]) — формат хранения графических изображений. Формат
GIF способен хранить сжатые без потерь изображения в формате до
256 цветов с палитрой, и предназначен, в основном, для чертежей,
графиков и т. д. Этот формат можно использовать и для
анимированных изображений (GIF-анимация).
Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был
разработан в 1987 году (GIF87a) фирмой CompuServe для передачи
растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был
модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности
и анимации. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет
неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок
(логотипы, надписи, схемы).
JPEG-формат
JPEG (произносится «джэйпе́г», англ. Joint Photographic Experts
Group — русск. Объединённая группа экспертов в области
фотографии) — является широкоиспользуемым методом сжатия
фотоизображений. Формат файла, который содержит сжатые данные
обычно также называют именем JPEG; наиболее распространённые
расширения для таких файлов .jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE. Однако
из них .jpg самое популярное расширение на всех платформах.
Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия с потерей качества.
Область применения
Формат является форматом сжатия с потерями, поэтому
некорректно считать что JPEG хранит данные как 8 бит на канал (24
бит на пиксель). С другой стороны, так как данные, подвергающиеся
компресии по формату JPEG и декомпрессированые данные обычно
представляются в формате 8 бит на канал, иногда используется эта
терминология. Поддерживается также сжатие черно-белых
полутоновых изображений.
При сохранении JPEG-файла можно указать степень сжатия,
которую обычно задают в некоторых условных единицах, например,
от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число соответствует лучшему
качеству, но при этом увеличивается размер файла. Обыкновенно,
разница в качестве между 90 и 100 на глаз уже практически не
воспринимается. Следует помнить, что побитно восстановленное
изображение всегда отличается от оригинала. Распространённым
заблуждением является мнение о том, что качество JPEG
тождественно доле сохраняемой информации.
К недостаткам формата следует отнести то, что при сильных
степенях сжатия дает знать о себе блочная структура данных,
изображение «дробится на квадратики». Этот эффект особенно
заметен на областях с низкой пространственной частотой (плавные
переходы изображения, например, чистое небо). В областях с
высокой пространственной частотой (например, контрастные
границы изображения), возникают характерные «артефакты» —
иррегулярная структура пикселей искаженного цвета и/или яркости.
Кроме того, из изображения пропадают мелкие цветные детали.
Однако, несмотря на недостатки, JPEG получил очень широкое
распространение из-за высокой степени сжатия, относительно
существующих во время его появления альтернатив.
TIFF-формат
TIFF (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых
графических изображений. Изначально был разработан компанией
Aldus в сотрудничестве с Microsoft, для использования с PostScript.
TIFF стал популярным форматом для хранения изображений с
большой глубиной цвета, используется при сканировании, отправке
факсов, распознавании текста, в полиграфии, широко
поддерживается графическими приложениями. TIFF был выбран в
качестве основного графического формата операционной системы
NeXTstep, и из неё поддержка этого формата перешла в Mac OS X.
Владелец спецификаций Aldus впоследствии объединилась с Adobe,
владеющей в настоящее время правом на использование формата.
Файлы формата TIFF, как правило, имеют расширение .tiff или .tif.
PNG-формат
PNG (англ. portable network graphics, сокращение произносится поанглийски /pɪŋ/[1]) — растровый формат хранения графической
информации, использующий сжатие без потерь. PNG был создан как
для улучшения, так и для замены формата GIF графическим
форматом, не требующим лицензии для использования.
Обычно файлы формата PNG имеют расширение PNG или png и
используют обозначение MIME-типа image/png.
Заключение
Векторная и растровая графика применяются в самых разных
областях. Каждый из этих видов имеет свои особенности, свои
достоинства и недостатки.
Так, например, достоинства и недостатки векторной и растровой
графики мы видим в таблице (прил. 4)
Литература
1. Куприянов Н. И. Рисуем на компьютере: Word, Photoshop,
CorelDRAW, Flash. – СПб.: Питер, 2005. – 128 с.
2. Анцыпа
В.
А.
Растровые
и
векторные
графические
изображения // Информатика и образование. – 2005. - № 7. – С.
56-62.
3. Балухта К. В. Учимся рисовать на компьютере. – М.: Эксмо,
2005. – 384 с.
4. Андрианов В. И. Самое главное о… CorelDRAW. – СПб.:
Питера, 2004. – 127 с.
Приложения
1. Примеры увеличения векторного и растрового изображений
Пример, показывающий эффект векторной графики при увеличении: (a)
исходное векторное изображение; (b) иллюстрация, увеличенная в 8 раз как
векторное изображение; (c) иллюстрация, увеличенная в 8 раз как растровое
изображение.
2. Графический редактор векторной графики Adobe Illustrated
Приложение 3 Редактор Corel Draw
Приложение 4. Сравнительный анализ форматов
Таблица
Формирование
графического
изображения
Растровая графика
Векторная графика
1. В процессе преобразования информации из
Из объектов (точка, линия, окружность и
аналоговой
цифровую
т.д.),
цифровых
компьютера
формы
(сканирование,
в
использование
фото- и видеокамер и т.д.)
2.
Непосредственно
использованием
на
которые
хранятся
в
виде
в
памяти
графических
примитивов и описывающих их математикомпьютере
графического
с
ческих формул.
редактора,
«скачать» с Интернета, загрузить с CD-ROM
или DVD-ROM- дисков.
В памяти компьютера изображения хранятся
в виде числовых матриц.
Основной элемент
Достоинства
Точка различного цвета (пиксел2). Любой
Линия.
Простейшие
объект – набор окрашенных пикселов.
объединяются в более сложные.
Обеспечивает достаточно высокую точность
1.
передачи градаций цветов и полутонов
приводит
Изменение
к
объекты
размеров
изображения
перерасчету
формул,
с
другими коэффициентами, поэтому их
качество не страдает.
2. Занимает гораздо меньше места в
памяти машины.
Недостатки
1. Большие объемы данных.
1. Не обеспечивает достаточной точности
2. Потеря качества при масштабировании
передачи градаций цветов и полутонов
2. Значительно усложняется работа по
созданию художественных иллюстраций.
Использование
Применяется при разработке электронных и
Применяется в рекламных агентствах,
полиграфических
дизайнерских
изданий.
Большинство
бюро,
редакциях
и
программных средств, предназначенных для
издательствах. Программные средства для
работы
работы
с
растровыми
ориентированы
не
иллюстрациями,
столько
на
создание
изображений, сколько на их обработку.
с
векторной
графикой
предназначены в первую очередь для
создания
иллюстраций
и
в
меньшей
степени для их обработки.
Представление на мониторе
Программные
средства
работы с графикой
для
В виде растровой матрицы
В виде растровой матрицы
Adobe Photoshop, Paint, Paintbrush и т.д.
Adobe Illustrator, CorelDraw, Macromedia
FreeHand и т.д.
Пиксел – минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым
образом.
2