Методические особенности изучения темы "Растровая и векторная графика. Форматы графических файлов" в курсе информатики в школе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические особенности изучения темы "Растровая и векторная графика. Форматы графических файлов" в курсе информатики в школе

Содержание

1. Графическое представление информации

2. Растровая графика

3. Векторная графика

4. Фрактальная и трехмерная графика

5. Основные подходы к изучению понятий. Кодирование цвета, разрешение

6. Сравнительная характеристика растровой и векторной графики

1. Графическое представление информации

Под термином графика обычно понимается визуальное (то есть воспринимаемое зрением) представление каких-либо реальных или воображаемых объектов. Графика рассматривается как язык визуальной культуры и грамотности человека, как язык проектирования (дизайна), как язык техники и технологии, как самое простое и естественное для человека средство осмысления и познания окружающего его мира и как язык профессионального (технического и художественно-технического) и непрофессионального общения между людьми. Она является средством развития творческих способностей учащегося, его пространственных представлений, воображения и мышления, глазомера, зрительной памяти, смекалки и догадки, средством развития политехнического и образного мышления, эстетического вкуса и проектного мышления, средством выражения его идей и замыслов. Информация, описываемая графическими объектами, соответственно называется графической. Она может быть представлена, картиной, рисунком, мозаикой, чертежом, буквами в книге, изображением на экране телевизора и др. Для представления графической информации в виде всякого графического изображения, существует свой определенный способ создания: картину можно нарисовать кистью отдельными мазками, контур рисунка очертить фломастером и закрасить его акварелью, а чертеж выполнить линиями, проведенными карандашом. В последние десятилетия самым популярным и распространенным способом представления графической информации становится цифровой метод, где графические данные хранятся неопределенное время в виде файлов на цифровых носителях, а визуализация наступает, когда данные файлов поступают на устройства вывода: монитор принтер, плоттер и др. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую и векторную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.

2. Растровая графика

Растровая графика оперирует с изображениями в виде растров. Неформально можно сказать, что растр - это описание изображения на плоскости путем разбиения всей плоскости или ее части на одинаковые квадраты и присвоение каждому квадрату своего атрибута. Иногда понятие растра определяют более широко: как разбиение плоскости (или ее участка) на равные элементы (т.е. "замощение"). Такие элементы растра называются пикселями (pixel - pictureelement). Каждому пикселю может быть задан определенный атрибут, это, как правило, цвет или яркость. В растровой графике пиксели выстраиваются в виде прямоугольной матрицы (bitmap), где из них, как из крохотных точек собрано мозаичное изображение. Благодаря маленькому размеру и большой концентрации таких пикселей-точек, отдельные точки становятся невидны (или малозаметны), и создаётся впечатление однородной картины. Растровый способ представления изображений прекрасно подходит для хранения фотографий и видеофрагментов и позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности.

3. Векторная графика

Другой способ представления графической информации в компьютере векторная графика (или геометрическое моделирование). Элементарными объектами векторной графики являются простые геометрические фигуры, такие как линия, окружность, которые хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и числовых параметров. Из простейших фигур складываются более сложные. Каждая фигура обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием. Охватываемое фигурами пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты), цветом или особым способом (например, заштрихована). Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного пути, как правило, нет, трассировка растра обычно не обеспечивает высокого качества векторного рисунка. Векторная графика используется для создания иллюстраций и рисунков в издательском деле, карт в компьютерной топографии (геоинформационных системах). СAD-системы (системы автоматизированного проектирования) используют векторный подход для рисования чертежей. При помощи векторной графики можно задать не только двумерные, но и трёхмерные фигуры. Все современные редакторы трёхмерной графики являются векторными, и лишь при создании итогового изображения или видеоролика происходит преобразование в растровую графику. Векторное изображение проще анимировать, поэтому, сегодня векторная графика используется для создания анимации и компьютерных игр. Например, программа MacromediaFlash, предназначенная для создания анимации на веб-страницах, основана на векторном представлении графики, хотя и поддерживает использование растровых изображений. Необходимо отметить, что в процессе визуализации векторная графика всегда преобразовывается в растровую форму.

4. Фрактальная и трехмерная графика

Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются фракталами: треугольник Серпинского, снежинка Коха, "дракон" Хартера-Хейтуея, множество Мандельброта. Построение фрактального рисунка осуществляется по какому-то алгоритму или путём автоматической генерации изображений при помощи вычислений по конкретным формулам. Изменения значений в алгоритмах или коэффициентов в формулах приводит к модификации этих изображений. Главным преимуществом фрактальной графики есть то, что в файле фрактального изображения сохраняются только алгоритмы и формулы. Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности. При помощи их сначала создаётся каркас объекта, потом его поверхность покрывают материалами, визуально похожими на реальные. После этого делают осветление, гравитацию, свойства атмосферы и другие параметры пространства, в котором находиться объект. Для двигающихся объектом указывают траекторию движения, скорость.

5. Основные подходы к изучению понятий. Кодирование цвета, разрешение

Кодирование цвета

Кодируется цвет графических изображений с помощью бит. Количество бит, с помощью которых закодирован цвет называют битовой глубиной изображения. Обычно принимают глубину в 1, 4, 8, 16, 24 и 32 бита, что соответствует (21,24,28,216,224, 232) 2, 16, 256, 65.536 (Highcolor), 16.777.216 (Truecolor), 4.294.967.296 возможным цветовым оттенкам. Кодирование осуществляется в соответствии с определенной цветовой моделью. В RGB для каждого из трех цветов выделяется канал в 1 байт (8 бит), где интенсивность каждого из цветов может принимать значения от 0 до 255. визуальный дизайн фрактальный трехмерный

Разрешение

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 Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dotsperinch - dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование 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), разрешение оригинала и масштаб отображения. Мониторы для обработки изображений с диагональю 20-21 дюйм, как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22 - 0,25 мм. 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 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 (linesperinch - lpi) 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. При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов Для лазерных принтеров рекомендуемаялиниатура составляет 65 - 100 lpi, для газетного производства - 65-85 lpi, для книжно-журнального - 85 - 133 lpi, для художественных и рекламных работ - 133 - 300 lpi. При печати изображений с наложением растров друг на друга, например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Традиционными для цветной печати считаются углы поворота: 105 градусов для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой 150 lpi уже недостаточно разрешения 16*150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса принято минимальное стандартное разрешение 2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра.о

Масштабирование

Масштабирование заключается в изменении вертикального и горизонтального размеров изображения. Масштабирование может быть пропорциональным - в этом случае соотношение между высотой и шириной рисунка не изменяется, а меняется общий размер, и непропорциональным - в этом случае оба измерения изменяются по-разному. Масштабирование векторных рисунков выполняется просто и без потери качества. Так как объекты векторной графики создаются по их описаниям, то для изменения масштаба векторного объекта, достаточно изменить его описание. Например, чтобы увеличить в два раза векторный объект, следует удвоить значение, описывающее его размер. Масштабирование растровых рисунков является намного более сложным процессом, чем для векторной графики, и часто сопровождается потерей качества. При изменении размеров растрового изображения выполняется одно из следующих действий: · одновременное изменение размеров всех пикселов (в большую или меньшую сторону); · добавление или убавление пикселов из рисунка для отражения производимых в нем изменений, называемых выборкой пикселов в изображении. По своей сути масштабирование не меняет физические размеры графического файла, поскольку не воздействует ни на один из параметров (число точек, глубина цвета), от которых зависит его значение, а только меняет экранное или печатное разрешение изображения.

Дискретизация

В отличие от масштабирования дискретизация - это операция, которая вмешивается в структуру изображения, изменяя число точек. В растровой графике получили распространение три основных метода дискретизации, которые различаются между собой скоростью работы и точностью результатов. NearestNeighbor (Метод ближайшего соседа). Самый простой метод интерполяции, обладающий высокой скоростью работы и результатами не самого высокого качества. В качестве образца для нового пикселя берутся характеристики его ближайшего фактического соседа. Метод дает неплохие результаты для областей с регулярной геометрией, например прямых линий, прямоугольников и пр. Bilinear (Билинейная интерполяция). Этот метод несколько сложнее в реализации, но дает лучшие результаты по сравнению с методом NearestNeighbor. Параметры новой точки рассчитываются усреднением цветовых или тоновых характеристик соседних действительных пикселов изображения. Свои преимущества метод показывает при уменьшении количества точек изображения. Рациональной областью его применения является обработка изображений среднего качества. Bicubic (Бикубическая интерполяция). Это лучший метод интерполяции. Новые точки рассчитываются по существующим соседям на основе несколько более сложных алгоритмов, чем в предыдущем методе.В результате дискретизация выполняет глубокую перестройку изображения, при определенных условиях воздействуя на каждый его пиксель.

6. Сравнительная характеристика растровой и векторной графики

Каждый из видов графики имеет свои достоинства и недостатки, следует отметить определенную "зеркальность" их достоинств и недостатков. Среди достоинств растровой графики можно рассматривать два принципиальных и одно относительное: · аппаратная реализуемость; · программная независимость; · фотореалистичность изображений. Следуют обратить особое внимание на недостатки растровой графики: · значительный объем файлов; · трансформирования с потерей качества (пикселизация, зернистость); · аппаратная зависимость -- причина многих погрешностей; · отсутствие объектов. Достоинства и недостатки растровой графики являются зеркальным отражением достоинств и недостатков векторной графики. Достоинства: · минимальный объем файла, · полная свобода трансформаций; · аппаратная независимость; · объектно-ориентированный характер. Два принципиальных и один условный недостаток векторной графики: · отсутствие аппаратной реализуемости; · программная зависимость; · жесткость изображений.

Размещено на Allbest.ru