- -
- 100%
- +
С любовью и благодарностью посвящается супруге автора Ирине Мироновой
Введение
Настоящее издание представляет собой базовый учебник по дисциплине «Компьютерная графика», которая появилась в учебных программах вузов сравнительно давно, но раньше преподавалась только студентам технических специальностей. В современных условиях компьютерная графика стремительно превращается в базовый курс, ее приемы и концепции интенсивно используются во многих смежных дисциплинах, в том числе и считавшихся до последнего времени сугубо гуманитарными. Поэтому ее изучение стало необходимым и для студентов, не имеющих достаточной подготовки по циклам точных наук, на знании которых обычно основывался курс компьютерной графики. Настоящая книга адресована в первую очередь студентам, обучающимся по специальности 351400 «Прикладная информатика в дизайне». Ее структура соответствует разделу «Компьютерная графика» Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по данной специальности.
Эта книга может также оказаться полезной всем, кто имеет дело с применением компьютерной графики в самых разных сферах деятельности: школьникам, студентам, специалистам по рекламе и по связям с общественностью, работникам издательств, фотографам (как любителям, так и профессионалам), разработчикам публикаций, размещаемых в компьютерных сетях.
Всем перечисленным специалистам необходимо владеть программными средствами и приемами работы с объектами компьютерной графики, в первую очередь с изображениями, представленными в цифровой форме. Эти средства и приемы чаще всего осваивают с помощью учебника-самоучителя по той или иной программе. На сегодняшний день издано множество таких учебников, но в подавляющем большинстве этих книг не рассматриваются фундаментальные понятия компьютерной графики. По этой причине у многих практиков нет понимания основных концепций дисциплины, из-за чего часто возникает недостаточное владение приемами и навыками, что неизбежно влечет за собой очень низкое качество всей работы. Усугубляет ситуацию отсутствие стандартной терминологии, – компьютерная графика еще сравнительно молода, постоянно развивается, и среди ее терминов встречается много неологизмов и транслитерированных слов, об использовании которых даже у авторитетных специалистов в области компьютерной графики еще нет общего мнения. Процесс снижения уровня профессионализма во владении средствами компьютерной графики сегодня зашел настолько далеко, что даже сам термин "компьютерная графика" зачастую трактуется как синоним низкого качества и дурного вкуса.
Безусловно, качество объектов визуальной коммуникации в первую очередь определяется степенью креативности автора, его талантом и вкусом. Но для реализации своего замысла автору необходимо воспользоваться техническими приемами. Недостаточное знание и понимание этих приемов или концепций, лежащих в их основе, увеличивает долю рутинных операций, оставляя меньше времени для творческого процесса. Кроме того, зачастую именно понимание возможностей технических приемов может подсказать новую идею, нетривиальное творческое решение.
Наличие самого современного компьютера с огромными ресурсами и новейшими версиями графических программ само по себе не обеспечивает высокого качества результатов труда их владельца – для этого нужны еще талант, вкус и знания. Но при достаточно хорошем понимании основ компьютерной графики можно в полной мере овладеть арсеналом технических приемов работы с графическими программами. Это, в свою очередь, позволит не только резко повысить эффективность творческого труда (за счет сокращения объема рутинных операций и ускорения их выполнения), но и перевести его на новый качественный уровень, высвобождая время автора для решения творческих задач, давая ему возможность сравнить множество вариантов реализации своих замыслов.
Во многих областях человеческой деятельности компьютерная графика обслуживает искусство, беря на себя роль его "технического арсенала". Сегодня пренебрежение этим арсеналом средств влечет за собой низкую эффективность труда, зачастую полную невозможность решения профессиональных задач в отведенные сроки. В настоящее время для большинства дизайнеров компьютер и программные средства работы с изображениями стали главными рабочими инструментами. То же можно сказать о полиграфистах, кинематографистах и художниках.
Приведенные соображения со всей очевидностью доказывают необходимость изучения основ компьютерной графики как отдельной дисциплины.
Структура учебника
Как уже упоминалось, эта книга представляет собой учебник по компьютерной графике для дизайнеров и информатиков-дизайнеров. В ней рассмотрены общие концепции компьютерной графики, информационные модели, в соответствии с которыми изображения представляются в памяти компьютеров, и приемы работы с этими моделями, позволяющие создавать и изменять изображения по замыслу автора.
Книга состоит из трех частей. В части I рассмотрена прикладная область, предмет, фундаментальные понятия и процессы компьютерной графики, а также ее применение.
В главе 1.1 дано определение предмета компьютерной графики, сформулированы понятия информационной модели изображения, графического проектирования, программного и аппаратного инструментария компьютерной графики. Кратко описаны прикладные области, в которых широко используются методы и средства компьютерной графики.
В главе 1.2 рассмотрена классификация информационных моделей изображений, обобщенный процесс графического проектирования, а также особенности векторной и пиксельной моделей.
В главе 1.3 изложены вопросы, связанные с применением информационных моделей цвета в компьютерной графике. Приведено описание устройства и назначения основных моделей цвета, концепции системы управления цветом, профилирования и калибрования графических устройств.
В части II рассмотрена реализация информационной модели векторного изображения и приемы, составляющие ядро всех современных программных средств работы с векторными изображениями.
В главе 2.1 сформулированы концепция объектно-ориентированного графического проектирования, понятия методов и атрибутов классов графических объектов, лежащие в основе большинства программных средств векторной графики.
В главе 2.2 описаны параметрические примитивы, широко применяющиеся в графическом моделировании.
В главе 2.3 рассмотрена информационная модель линии, составляющие ее подобъекты и приемы работы с ними, а также логические операции над графическими объектами.
Глава 2.4 содержит описание обводок и заливок – важнейших способов модификации внешнего вида векторных графических объектов.
Глава 2.5 посвящена векторной информационной модели текста, разновидностям векторного текста, основным операциям его верстки и преобразования.
Глава 2.6 посвящена неспецифическим операциям над объектами: аффинным преобразованиям, выравниванию, распределению, копированию, дублированию, клонированию и др.
В главе 2.7 рассмотрены операции построения и разрушения структурных единиц векторного графического изображения, объединяющих в единые объекты совокупности графических объектов.
Глава 2.8 посвящена составным графическим объектам, обеспечивающим большую гибкость в создании графических объектов произвольной формы и их преобразовании.
В главе 2.9 описаны приемы работы, применяемые в графических проектах, включающих в себя как пиксельные, так и векторные объекты.
Глава 2.10 посвящена выводу векторных изображений на печать.
В части III рассмотрены реализация информационной модели пиксельного изображения, ее прикладные аспекты, концепции и приемы, на основе которых построены все программные средства пиксельной графики и цифровой фотографии.
В главе 3.1 описан растр – основа пиксельной информационной модели изображения и наиболее важные характеристики пиксельного изображения.
В главе 3.2 приведен обзор источников пиксельных изображений и даны рекомендации по работе с этими источниками.
В главе 3.3 перечислены наиболее распространенные форматы графических файлов на основе пиксельной информационной модели.
В главе 3.4 обсуждается устройство графических документов на основе пиксельной информационной модели, рассматриваются ее важнейшие расширения: слои, прозрачность и каналы цвета.
Глава 3.5 содержит концепцию выделенной области, основные методы ее построения и работы с ней.
Глава 3.6 описывает базовые приемы работы с пиксельными изображениями в контексте задач, наиболее часто возникающих при графическом проектировании. Рассмотрена техника работы со штриховыми и монохромными изображениями, концепция и приемы выполнения их тоновой коррекции, особенности работы с цветными изображениями, приемы построения коллажа из нескольких изображений.
В главе 3.7 изложены основы цветовой коррекции изображений, описаны приемы диагностики цветовых искажений, универсальная схема коррекции, селективная коррекция запоминающихся цветов.
Глава 3.8 посвящена особенностям работы с текстами в составе пиксельных графических документов.
В главе 3.9 рассмотрены некоторые частные приемы работы с пиксельными изображениями: фильтры эффектов, гипертрофия контраста, обесцвечивание, раскрашивание и перекрашивание, дуплексы, текстуризация, соляризация и постеризация. Обширные разделы посвящены приемам имитации традиционной техники живописных и графических работ.
Глава 3.10 посвящена ретуши пиксельных изображений. В ней приведены специфические приемы, позволяющие устранять или подавлять дефекты фотографий и сканированных изображений.
В главе 3.11 рассмотрены аспекты допечатной подготовки изображений методами компьютерной графики.
В глоссарии приведены определения важнейших терминов компьютерной графики.
Аппаратные и программные средства
В отличие от учебных курсов по программным средствам, для работы с этим учебником нет необходимости сразу садиться за компьютер – это можно и нужно будет сделать, когда придет осознание того или иного понятия, метода или приема и возникнет необходимость разобраться, как они реализованы в конкретной программе компьютерной графики.
Так что собственно этот учебник не накладывает дополнительных требований на конфигурацию и характеристики вашего компьютера. Данные ограничения приведены в учебниках по программным средствам компьютерной графики.
Что же касается необходимого программного обеспечения, то здесь требуются дополнительные разъяснения. Выбрав в качестве основы учебного курса те или иные графические редакторы, автор значительно упростил бы свою работу, но, увы, за счет снижения универсальности ее результата. Современные программные средства компьютерной графики сложны и ориентированы на практическое применение, у них обширные и изощренные интерфейсы пользователя, очень мало похожие один на другой. Из-за этого описание работы с программой А бесполезно для того, кто пользуется программой Б. Да и различные версии программы А могут довольно существенно отличаться друг от друга.
Вдобавок, описаний интерфейсов графических программ и методов работы с ними вполне достаточно – полки книжных магазинов и библиотек заполнены учебными курсами по конкретным графическим редакторам, некоторые из них весьма удачные. В каждом из курсов авторы подробно и с примерами показывают, как и в какой последовательности нужно действовать тем или иным инструментом. Но очень редко где написано, для чего эти действия нужны при графическом проектировании.
Автор ставил перед собой задачу создания такого учебника, который был бы полезен всем, начинающим заниматься компьютерной графикой и собирающимся применять ее методы в своей профессиональной деятельности – в первую очередь, конечно, дизайнерам. При этом не имеет значения, какими программами они пользуются сегодня или собираются воспользоваться завтра, поскольку везде, где это возможно, объекты компьютерной графики, ее концепции и приемы описаны инвариантно по отношению к конкретным программным средствам.
Последовательный отказ от привязки концепций и приемов к конкретным программным средствам привел к определенным сложностям с выбором терминов. К сожалению, одни и те же графические объекты и средства в различных программных пакетах называются по-разному. Дополнительную путаницу вносят переводчики. Автор старался пользоваться наиболее употребительными терминами, в отдельных случаях приводятся несколько терминов, все сколь либо важные понятия определены явным образом, и все определения сведены в приведенный в конце книги глоссарий.
Поэтому наиболее эффективной стратегией работы с этим учебником представляется его совместное изучение с двумя другими курсами: одним – по редактору векторных, другим – пиксельных изображений. Выбор конкретных программных средств остается за читателем.
Обращение к студентам
Компьютерная графика – удивительный симбиоз науки, творчества и технических достижений. В ее пространстве сегодня существует много специализаций, огромен перечень профессий, в которых применяются ее методы. Даже для не слишком глубокого ознакомления с компьютерной графикой может потребоваться очень много времени и усилий. А чтобы добиться в ней настоящего профессионализма, необходимо потратить на освоение теории и практики многие годы.
Автор надеется, что данная книга поможет вам взять хороший старт на этом пути. Он настаивает на том, что освоение теории компьютерной графики должно идти одновременно с освоением соответствующих программных средств, и рекомендует работу с этой книгой сопровождать изучением прикладных курсов по программным средствам компьютерной графики, благо в хороших учебниках такого рода недостатка нет.
Искренне желаю вам успехов в обучении и творческой работе.
Дмитрий Миронов
Санкт-Петербург, ноябрь 2007 года
Благодарности
Автор благодарен многим людям, без помощи которых эта книга не состоялась бы.
В первую очередь это его коллеги по факультету информационных технологий и медиадизайна Санкт-Петербургского университета культуры и искусств, многолетнее сотрудничество с которыми дало автору очень много как в профессиональном, так и в личностном плане. Отдельные благодарности декану Т. В. Ляшенко и научному руководителю направления "Медиадизайн" |Л. Н. Пахомовой|.
Автор также признателен многим своим студентам, чей искренний интерес к компьютерной графике и энергия сыграли роль мощного стимула в работе над этой книгой.
Выражаю свою благодарность коллегам по Северо-Западной академии государственной службы, в первую очередь ректору А. С. Горшкову и первому проректору А. С. Тургаеву, за поддержку и помощь в многолетней работе.
Отдельные благодарности коллективу издательства "БХВ-Петербург", всем профессионалам, благодаря труду которых вышла в свет эта книга, в первую очередь В. А. Сергееву и Е. В. Кондуковой.
Автор благодарит В. М. Либермана, А. Д. Сухотина, А. С. Федорова, И. О. Крестовского за многолетнюю дружескую помощь и поддержку.
И наконец, я ничего не смог бы сделать без постоянной поддержки и понимания со стороны своей семьи, супруги Ирины и дочерей.
Часть I
Информационные модели и цвет
1.1. Предмет компьютерной графики, ее инструментарий и прикладные области
В этой главе рассматривается предмет компьютерной графики как научно-прикладной дисциплины, выделяются ее разделы, имеющие непосредственное отношение к дизайну, и сферы практической деятельности, в которых в настоящее время требуется квалифицированный труд специалистов, получивших подготовку в области компьютерной графики.
1.1.1. Предмет компьютерной графики
Предмет компьютерной графики – автоматизированные информационные процессы, связанные с различными аспектами работы с изображениями, представленными в цифровом виде в соответствии с той или иной информационной моделью. В наиболее общей форме такие информационные процессы можно разбить на три категории:
• создание изображения при автоматическом или автоматизированном построении его информационной модели;
• модификация изображения с помощью воздействия на его информационную модель;
• преобразование изображения, представленного в формате информационной модели в объект визуальной коммуникации.
Первая категория информационных процессов формирует первичную информационную модель изображения, с которой впоследствии можно работать, внося в нее изменения средствами программ для работы с графикой, или сохранять в формате графических файлов для последующего использования. В результате этого будет создан ранее не существовавший файл, содержащий информационную модель, представленную в соответствии с тем или иным форматом. Пример такого процесса – сканирование изображения. Подробнее процессы первой категории рассмотрены в главе 3.2 и разд. 2.9.5.
Вторая категория включает в себя все, что относится к редактированию изображения. Пример такого процесса – составление коллажа из имеющихся изображений. Для процессов этой категории характерно внесение изменений в ранее построенную информационную модель с сохранением полученного результата в исходном или новом файле (файлах). Подобным процессам посвящена большая часть настоящего учебника.
Третья категория информационных процессов преобразует цифровое представление информационной модели изображения в объект, доступный для непосредственного визуального восприятия. Иногда эти процессы называют выводом изображения. Примером может служить печать цифровой фотографии в лаборатории или просмотр той же фотографии на экране компьютера. Подробнее эти процессы рассмотрены в главе 2.10 и разд. 3.1.5–3.1.6.
1.1.2. Объектная диаграмма предметной области компьютерной графики
Под предметной областью понимается совокупность объектов, имеющих существенное отношение к той или иной сфере деятельности и важных для этой сферы связей между этими объектами. Объектная диаграмма (рис. 1.1.1) представляет собой схематическое графическое изображение этих объектов и связей.
Рис. 1.1.1. Объекты и связи в предметной области компьютерной графики
Семантика объектов и связей, представленных на объектной диаграмме, рассматривается в следующих разделах.
1.1.3. Информационные модели
Информационная модель объекта или явления – совокупность структурированных данных, достаточно полно описывающая существенные для задач моделирования (релевантные) аспекты этого объекта или явления, и операций, с помощью которых пользователь может изучать модель и вносить в нее изменения. Применение информационной модели взамен реального явления или объекта дает возможность работать с ними с помощью автоматизированных информационных технологий. Преимущества такого подхода по сравнению с традиционной технологией обработки изображений следующие:
• сокращение времени за счет использования быстродействующих компьютеров;
• удешевление благодаря исключению из процесса дорогостоящих материальных объектов;
• упрощение за счет удобной программной реализации сложных операций;
• возможность создания абсолютно точных копий изображений с пренебрежимо малыми затратами времени и средств;
• возможность доступа пользователя к изображениям через современные средства телекоммуникаций.
В приведенном списке перечислены только основные преимущества, но и их вполне достаточно, чтобы сделать очевидный вывод – работа с информационными моделями изображения средствами компьютерной графики позволяет резко увеличить эффективность труда во многих отраслях деятельности, связанной с созданием и обработкой изображений.
Информационная модель тесно связана с другим объектом предметной области компьютерной графики – программными средствами, поскольку только с их помощью можно построить и отредактировать информационную модель изображения, а также получить по этой модели изображение в визуально воспринимаемом виде.
1.1.4. Программные средства
Программным средством называется совокупность программных модулей, обеспечивающих автоматизацию выполнения операций с данными, представленными в формате той или иной информационной модели. Программные средства выполняют две основные функции:
• автоматизируют выполнение рутинных операций и их последовательностей за счет алгоритмов, реализованных в программных модулях;
• обеспечивают возможность воздействия пользователя на состав и значения параметров информационной модели через средства интерфейса пользователя (как правило, графического).
Программные средства обычно обеспечивают автоматизацию решения комплекса задач, относящихся к сравнительно четко очерченной прикладной области. В компьютерной графике чаще других встречаются следующие категории программных средств:
• графические редакторы;
• подключаемые модули (плагины);
• драйверы графических устройств;
• средства просмотра изображений;
• архиваторы изображений;
• средства тестирования и настройки аппаратных устройств.
Графический редактор представляет собой программное средство для организации работы пользователя по изменению состава и значений параметров информационной модели изображения. Такая работа называется редактированием, что и определяет название данной категории программных средств. Как правило, операции редактирования выполняются в интерактивном режиме. К наиболее известным (на момент написания книги – середину 2007 года) графическим редакторам относятся Adobe Photoshop CS3, CorelDRAW X3, Corel Painter 9.
Подключаемый модуль (плагин) представляет собой отдельно разрабатываемое и распространяемое программное средство для выполнения какой-либо специфической операции над информационной моделью изображения, не реализованной в составе графического редактора. Выпускавшиеся ранее подключаемые модули могли работать только совместно с графическими редакторами, но некоторые современные образцы могут функционировать и автономно, являясь, по сути дела, самостоятельными графическими программами и взаимодействуя с графическими редакторами на уровне файлов информационных моделей. К функциям, чаще всего реализуемым в виде подключаемых модулей, относятся:
• добавление графических эффектов (см. разд. 2.9.2 и 3.9.1);
• глобальная коррекция изображения (см. разд. 3.9.2);
• допечатная обработка изображения (см. главу 3.11);
• сложные схемы выделения части изображения (см. разд. 3.5.4);
• генерирование изображений или их отдельных фрагментов (см. разд. 2.9.2).
С некоторой долей условности к автономно работающим подключаемым модулям, реализующим последнюю из перечисленных функций, можно отнести все программные средства, формирующие результат в виде изображения, например, системы трехмерного моделирования.
Примечание
Во многих публикациях трехмерное моделирование включается в предметную область компьютерной графики. Это представляется не совсем правомерным, поскольку информационная модель трехмерного моделирования описывает не изображение, а объемное тело. Тем не менее, в трехмерном моделировании интенсивно используются информационные модели изображений и приемы работы с ними, поэтому вполне логично включить его в состав прикладных областей применения компьютерной графики.
Драйвер графического устройства – специализированная программа, в функции которой входит управление аппаратными средствами, например, устройствами ввода и вывода. Современные драйверы обычно имеют в своем составе средства интерфейса с пользователем, позволяющие настраивать графическое устройство на желаемый режим работы. Как правило, драйверы работают совместно с графическими редакторами или другими программными средствами компьютерной графики, и их автономное функционирование не предусматривается.
Средства просмотра изображений представляют собой программы, позволяющие преобразовывать информационную модель, представленную в формате графического файла, в изображение на экране компьютера с целью визуального анализа. Обычно программные средства этой категории позволяют работать со многими форматами представления изображений и включают в себя большое число дополнительных функций (например, организацию показа изображений в виде слайд-шоу). Наиболее известные программные средства этой категории – ACDSee и Ifran View.