Компьютерная графика в дизайне

К аппаратным средствам, применяющимся в компьютерной графике, относятся:

• Компьютеры, в состав которых входят:

– процессор;

– оперативная память;

– накопители;

– видеокарта с графическим ускорителем.

• Устройства графического вывода:

– мониторы;

– видеопроекторы;

– печатающие устройства (лазерные, струйные и термосублимационные принтеры, фотонаборные автоматы, слайд-принтеры и цифровые минилабы).

• Устройства графического ввода:

– манипуляторы;

– графические планшеты;

– сканеры;

– цифровые камеры.

• Специальные устройства (например, устройства для вывода голограмм и стереопар).

Процессор и оперативная память

В рамках настоящего учебника нет смысла подробно останавливаться на назначении стандартных устройств компьютера, ограничимся рассмотрением специфических требований, которые на них накладывают типовые задачи компьютерной графики.

При работе с информационными моделями сложных векторных или пиксельных изображений с высоким разрешением (см. разд. 3.1.2) задачи компьютерной графики становятся очень ресурсоемкими. Поэтому общий принцип выбора процессора: «чем мощнее – тем лучше». На момент написания книги минимальными параметрами для графического компьютера считались тактовая частота процессора не ниже 2,5 ГГц и объем кэш-памяти второго уровня, встроенной в ядро процессора, не менее 512 Кбайт.

Чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее выполняются операции над большими по размеру информационными моделями изображений. Это обусловлено тем, что в процессе обработки данные большого изображения не помещаются в оперативную память целиком, и их приходится "подкачивать" по частям. Чем больше размер этих частей, тем реже приходится выполнять подкачку в процессе работы, тем быстрее выполняется обработка. Поэтому для работы с небольшими изображениями (например, с цифровыми фотографиями, снятыми камерами с размерами сенсора до 10 мегапикселов) объем оперативной памяти может составлять 1 Гбайт, для больших изображений желательны большие объемы.

Накопители

От емкости накопителя на жестком диске (винчестере) зависит объем данных, находящихся в оперативном распоряжении пользователя. Достаточно много дисковой памяти требуется для организации подкачки данных в оперативную память. Обычно компьютеры для графических работ комплектуют накопителями объемом 120–250 Гбайт, но для профессиональной работы нелишним будет и больший объем. Большое влияние на быстродействие оказывает и скорость передачи данных между накопителем и оперативной памятью, она не должна быть менее 100 Мбайт/с – в противном случае подкачка данных сильно замедляется.

Видеокарты

В отличие от задач трехмерного или имитационного моделирования и компьютерных игр, компьютерная графика не предъявляет очень высоких требований к видеосистеме компьютера, основой которой является видеокарта. Основная задача видеокарты – получение данных пиксельной информационной модели и преобразование их в видеосигнал, формирующий изображение на экране монитора. Причем передача видеосигнала на монитор должна выполняться достаточно быстро, чтобы изображение на нем не мерцало (современные стандарты рекомендуют частоту обновления не ниже 100 Гц). Чтобы выполнить это условие, данные изображения должны полностью помещаться в видеопамять. Подробнее расчеты объема памяти, достаточного для хранения информационной модели пиксельного изображения, представлены в разд. 3.1.2. Некоторые данные о минимальном объеме видеопамяти приведены в табл. 1.1.1.

Для мониторов наиболее распространенных моделей вполне достаточно видеопамяти объемом 64 Мбайта. Однако если в составе видеокарты имеется графический ускоритель (что для современных моделей стало стандартом де-факто), этот объем должен быть, как минимум, в два раза больше, т. е. 128 Мбайт. Для мониторов с большим размером растра следует рассчитывать объем видеопамяти и подбирать соответствующую видеокарту индивидуально. Следует заметить, что современные видеокарты могут по стоимости в несколько раз превышать все остальные устройства компьютера, вместе взятые, поэтому к ее выбору необходимо подходить рационально. Наиболее мощные видеокарты выпускаются для нужд специалистов в анимационном трехмерном моделировании, видеомонтаже и любителей компьютерных игр, а в задачах компьютерной графики их возможности оказываются востребованными далеко не полностью.

Мониторы и видеопроекторы

Не менее важной частью видеосистемы является монитор – устройство для преобразования видеосигнала в визуально воспринимаемое изображение. Наиболее важные характеристики для задач компьютерной графики – размер экрана, размерность растра, частота обновления изображения и точность воспроизведения цвета. Разработчики программных средств компьютерной графики считают минимальными требованиями к мониторам диагональ экрана не менее 17 дюймов, частоту обновления изображения не ниже 85 Гц, размерность растра не менее 1024*768 пикселов, число воспроизводимых цветов не менее 16 777 216.

Точность воспроизведения цвета на экранах больших размеров сегодня несколько выше у мониторов с электронно-лучевой трубкой. По остальным параметрам эти мониторы немного уступают мониторам на жидкокристаллических панелях.

Видеопроекторы предназначены для построения крупноформатных изображений, рассматриваемых со значительно большего расстояния, чем изображения на экране монитора. Они подключаются к той же видеокарте, что мониторы, и получают такой же видеосигнал. При использовании видеопроекторов следует иметь в виду, что они воспроизводят значительно меньше цветов, чем мониторы, и точность воспроизведения цвета у них значительно ниже. Сегодня более качественной, но и более дорогостоящей альтернативой видеопроекторам выступают плазменные панели, функционально не отличающиеся от мониторов.

Печатающие устройства

Печатающим устройством или принтером называется периферийное устройство компьютера, преобразующее информационную модель в визуально воспринимаемое изображение на плоском носителе (бумаге, ткани или полимерной пленке). Принципы, на основе которых на носителе формируется изображение, можно разделить на несколько категорий (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.2. Принципы формирования изображений печатающими устройствами

Приведенные на рис. 1.1.2 способы формирования изображений существенно отличаются друг от друга, поэтому устройства печати сложно сравнивать, пользуясь одной и той же системой показателей. Подробнее эти вопросы будут освещены в разд. 3.1.4, посвященном методам расчета параметров изображения в процессе подготовки его к выводу на печать. Там же рассматриваются и существенные для компьютерной графики особенности печатающих устройств каждой категории.

Устройства графического ввода

Устройством графического ввода называется периферийное устройство компьютера, позволяющее формировать новую информационную модель изображения и/или вносить изменения в существующую. Классификация таких устройств приведена на рис. 1.1.3.

Рис. 1.1.3. Классификация устройств графического ввода

Манипуляторы, строго говоря, не являются устройствами графического ввода. Они лишь позволяют перемещать на экране монитора специальный значок (курсор, указатель) и передавать в компьютер его координаты с той или иной частотой. Как правило, манипуляторы снабжены несколькими кнопками, позволяющими передавать в компьютер управляющие сигналы. Однако в подавляющем большинстве графических редакторов манипулятор управляет работой специальных графических инструментов, с помощью которых пользователь и воздействует на графическую модель. Поэтому традиционно манипуляторы относят к устройствам графического ввода.

Автоматические устройства графического ввода позволяют формировать новую информационную модель изображения без вмешательства пользователя и без графического редактора. К этой категории относят сканеры и цифровые камеры. Сканер формирует информационную модель пиксельного изображения по физическому оригиналу, в роли которого чаще всего выступают непрозрачные (отпечатки) и полупрозрачные (слайды, пленки) изображения.

Примечание

При работе с планшетными сканерами распространенной практикой является размещение на предметном стекле не изображения, а тех или иных предметов. В этом случае сканер можно рассматривать как вариант цифровой камеры, "фотографирующей" объемные объекты.

Основные характеристики сканера – аппаратное разрешение сканирования и точность восприятия цвета (см. разд. 3.1.4).

Цифровые фото– и видеокамеры обычно работают в автономном режиме, но при прямом подключении к компьютеру их можно рассматривать как устройства графического ввода. Особенно это относится к так называемым "цифровым задникам" – приставкам к традиционным широкопленочным камерам, с которыми работают в условиях фотостудии, формирующим очень большие по размеру информационные модели пиксельных изображений. Многие из них просто не оборудованы промежуточным устройством хранения данных. Основные характеристики цифровых камер – размеры растра в пикселах и точность восприятия цвета. Подробнее цифровые камеры рассматриваются в разд. 3.2.4.

Интерактивные устройства графического ввода отличаются от манипуляторов тем, что фиксируют на экране координаты не указателя, а кончика специального пера. Например, сенсорный экран, представляющий собой гибрид графических устройств ввода и вывода, – монитор, экран которого способен воспринимать касания и степень нажима, а также координаты точки, в которой этот нажим осуществляется. Пользователь имеет возможность «рисовать» по нему пером, может фиксировать силу нажима, а графический планшет — не только силу нажима, но и углы наклона пера к плоскости планшета и разворота пера вокруг своей оси. Сколка представляет собой графический планшет больших размеров, приспособленный для кодирования чертежей. Аппаратное и программное обеспечение сколки позволяет формировать векторную информационную модель изображения, но для работы с ней требуется специальная подготовка (см. главу 2.1).

Методы и средства компьютерной графики востребованы в любой сфере человеческой деятельности, где используются изображения. Но в некоторых из них применение компьютерной графики особенно перспективно. Больше всего это касается областей, в которых основную роль играют объекты визуальной коммуникации. Визуальная коммуникация представляет собой информационный процесс, при котором информация передается от источника (автора) потребителю через зрительный канал. Объект визуальной коммуникации, несущий в себе эту информацию, называется изображением. В последующих подразделах дается краткий обзор некоторых прикладных областей, в которых важность визуальной коммуникации привела к интенсивному применению средств компьютерной графики.

Дизайн и художественное творчество

Для современных условий характерны две тенденции: рост качества жизни и ужесточение конкуренции во всех областях производства и сервиса. Повышаются требования к удобству и эстетическому совершенству всего, что окружает человека, а конкуренция приводит к тому, что преуспевают те, кто уделяет этому фактору значительное внимание. Поэтому значение дизайна (и, в частности, промышленного дизайна) в жизни современного общества сложно переоценить. Возрастание роли дизайна и спроса на продукцию дизайнеров привели к необходимости интенсификации и повышения эффективности этого вида труда.

Из-за того, что творческая составляющая профессиональной деятельности дизайнера не поддается формализации и в этом аспекте эффективность его труда определяется только мерой таланта, радикально увеличить эффективность деятельности можно только за счет сокращения объема и трудоемкости рутинных операций. Компьютерная графика является той базой, на основе которой можно добиться этой цели. Пользуясь программами компьютерной графики, дизайнер может не только быстрее материализовать свои творческие замыслы, но и оперативно проверить несколько вариантов реализации каждого из них. В частности, при работе над шрифтовыми композициями применение программных средств векторной графики позволяет сократить затрачиваемое время в несколько раз. Конечно, рост эффективности возникает только при достаточно профессиональном владении арсеналом компьютерной графики.

Эффективное средство повышения производительности труда дизайнера – трехмерное моделирование, интенсивно использующееся в архитектурном и ландшафтном дизайне, дизайне интерьеров и мебели. Кроме того, в условиях перехода к информационному обществу появились новые области: дизайн мультимедиа, Web-дизайн, дизайн пользовательского интерфейса информационных систем. В этих прикладных областях в силу их специфики традиционные техники дизайна, не связанные с компьютерной графикой, просто неприменимы.

Массмедиа и полиграфия

Из средств массовой коммуникации сегодня, пожалуй, только на радио не задействованы приемы компьютерной графики (если исключить рекламную поддержку). На телевидении не обойтись без заставок, титров и логотипов, а анимационные ролики занимают значительную часть экранного времени на многих каналах, причем не только в виде рекламы, но и как вставки в новостных программах. Практически всегда прогноз погоды читают на фоне метеорологических карт, подготовленных с помощью графических программ. Все чаще картами и схемами иллюстрируют новостные сообщения.

Служба доступа к гипертексту, более известная как WWW или "Всемирная паутина", ставшая атрибутом повседневного обихода многих людей, требует небывалого в человеческой истории объема графических работ. Причем их качество должно быть достаточно высоким, поскольку успех того или иного информационного ресурса Сети во многом определяется его дизайном, удобством графического интерфейса, добротностью представленных на нем изображений. Развитие WWW приводит к высокому спросу на специалистов-дизайнеров с хорошей подготовкой в области компьютерной графики.

В современных полиграфических технологиях, обеспечивающих выпуск книг и газет, компьютеры и программное обеспечение играют центральную роль. Почти все печатные издания поступают в производство в виде полиграфической оснастки, подготовленной с помощью программ компьютерной верстки. Для ее работы требуется, чтобы и текст, и иллюстрации были представлены на машинном носителе, т. е. в виде информационных моделей. Для иллюстраций это означает не только возможность их включения в макет издания произвольной сложности, но и готовность к обработке с помощью программ компьютерной графики. Многие графические элементы, определяющие стиль оформления издания (такие, как заставки, виньетки, буквицы и линейки), удобно с самого начала разрабатывать с помощью программ векторной графики.

Иллюстрации, подготовленные в традиционной графической технике, а также фотографии (отпечатки, негативы и слайды) в издательстве сканируются и проходят цикл обработки методами компьютерной графики (ретушь, цветокоррекция, допечатная подготовка). Многие художники-графики, работающие в жанре книжной иллюстрации, с самого начала работы над графическими проектами пользуются программами компьютерной графики.

Анимация

Анимация – создание иллюзии движения за счет демонстрации быстро сменяющих друг друга изображений. Специфика анимации состоит в том, что изображения, из которых впоследствии составляется анимационный ролик, не снимаются в непрерывном режиме кино– или видеокамерой. Более того, во многих видах анимации они формируются не камерой, а получаются из других источников. В традиционной анимации изображения, из которых составляется анимационный ролик, создаются вручную художниками, прорисовывающими все промежуточные кадры по нарисованным ранее опорным.

Применение для построения опорных кадров методов компьютерной графики позволяет радикально изменить технологию. Если опорные кадры представляют собой два различных состояния информационной модели изображения, то формирование промежуточных состояний той же информационной модели, соответствующих промежуточным кадрам, может выполняться автоматически. Это дает колоссальную экономию труда. Поэтому сегодня методы компьютерной графики представляют собой неотъемлемую часть технического арсенала создателей анимационных фильмов, а анимационный фильм, в работе над которым они не применялись, является редким исключением.

Кинематография

Внедрение средств компьютерной графики в традиционную кинематографию началось существенно позднее, чем в анимационную. Продолжительное время они применялись, главным образом, для подготовки титров и заставок. Но лавинообразный рост затрат на съемку фильмов потребовал поиска путей экономии, и компьютерная графика оказалась весьма перспективным в этом смысле средством. Технология цифрового видеомонтажа позволила частично отказаться от постройки декораций. Например, в известном фильме «Титаник» большая часть интерьеров роскошного лайнера – виртуальные, существующие только в виде графических изображений. При создании фильмов «Ночной дозор», «Дневной дозор» и «Турецкий гамбит» наряду с приемами трехмерного моделирования широко использовались приемы и эффекты пиксельной графики.

Анализируя современные тенденции развития кинематографии, можно уверенно предположить, что в будущем этой отрасли будет требоваться все больше специалистов по компьютерной графике.

Трехмерное моделирование

Трехмерное моделирование представляет собой большой комплекс методов и средств, предназначенных для создания сеточной информационной модели объекта (совокупности объектов), внесения в нее изменений, и построения по ней как отдельных изображений, так и их последовательностей, составляющих анимационные ролики. Сеточная информационная модель – это обобщение векторной модели изображения, позволяющее описывать не только двухмерные объекты (которых достаточно, чтобы описать любое плоское изображение), но и пространственные оболочки. В силу этого сеточная модель включает в себя информационные модели как векторного, так и пиксельного изображений, а программные средства трехмерного моделирования реализуют многие методы работы с этими моделями из арсенала компьютерной графики.

Более того, векторные информационные модели могут служить в качестве исходного материала для трехмерного моделирования. Например, при построении трехмерной модели, соответствующей телу вращения или телу экструзии, образующие кривые могут строиться в программе векторной графики с последующим импортированием в программу трехмерного моделирования.

Методы и средства пиксельной графики незаменимы при формировании текстур и карт, позволяющих имитировать оптические свойства поверхностей объектов при построении изображения по трехмерной модели. Не обойтись без них и при создании фона трехмерной сцены, и при настройке наложения сложных текстур на модель объекта.

Поэтому можно утверждать – чтобы достичь высокой квалификации в трехмерном моделировании, необходимо владеть арсеналом средств и методов компьютерной графики. При работе над крупными проектами трехмерного моделирования (такими, как подготовка архитектурного проекта или трехмерного анимационного фильма) в состав коллектива разработчиков всегда включаются специалисты в области компьютерной графики.

Фотография

Лавинообразный рост числа цифровых фотокамер во всех секторах рынка фототехники (от камер для начинающих и любителей, в котором пленочная техника вытеснена полностью, до аппаратуры профессионалов, постоянно совершенствующейся) с неизбежностью привел к интеграции средств компьютерной графики в работу фотографов. Фотокамера автоматически формирует информационную модель пиксельного изображения, поэтому к цифровым фотографиям применимы все методы и приемы пиксельной графики.

На практике фотографы пользуются средствами компьютерной графики для устранения дефектов изображений, их допечатной подготовки, тонирования и фотомонтажа. Множество приемов разработано для компьютерной ретуши фотографий, развившейся в обширную прикладную отрасль компьютерной графики. Большинство профессиональных фотографов размещают информацию о себе и своих работах на собственных и корпоративных сайтах, большая часть фотопродукции продается также через Интернет. Естественно, подготовка фотографий к публикации в Сети также невозможна без средств компьютерной графики.

Автоматизация проектирования

Предмет автоматизации проектирования – автоматическая и автоматизированная подготовка проектно-конструкторской документации, по которой впоследствии может быть изготовлено и проверено на соответствие требованиям некоторое изделие. По своему составу проектно-конструкторская документация разделяется на текстовую и графическую. К последней относятся чертежи и схемы, представляющие собой изображения, построенные в соответствии с общепринятой системой условностей. В России эта система зафиксирована документами ЕСКД (Единой Системы Конструкторской Документации). Эти документы с точки зрения информационного анализа представляют собой сложные информационные модели, достаточно полно описывающие изделия, технологию их изготовления и определяющие содержание и последовательность процессов производства.

Поскольку значительная часть документов представляют собой изображения, информационная модель векторного изображения включается неотъемлемой частью в упомянутые информационные модели. Соответственно, в автоматизации проектирования оказываются удобными многие приемы компьютерной графики, автоматизирующие работу с информационной моделью векторного изображения. Подсистемы компьютерной графики часто выступают в качестве ядра, на основе которого строятся САПР (системы автоматизации проектирования). Наиболее яркий пример такого подхода – система AutoCAD.

Но проектные документы являются лишь конечным результатом труда проектировщиков. Арсенал компьютерной графики применяется не только для их выпуска. Начальные стадии проектирования чаще всего выполняются средствами графического моделирования (двухмерного и трехмерного), в котором также не обойтись без средств компьютерной графики.

Деловая графика

Термином деловая графика (бизнес-графика) обозначают специальный класс графических изображений, позволяющих представлять в наглядной форме числовые данные и снабжать своеобразными графическими комментариями изображения различного назначения. Некоторые авторы относят к сфере деловой графики системы указательных, предупредительных и информационных знаков. Наиболее часто деловая графика востребована при подготовке всевозможных отчетов, докладов, презентаций. Достаточно часто объекты деловой графики используются при подготовке научной и учебной литературы.

Эффективность применения средств и методов компьютерной графики настолько очевидна, что сегодня доля материалов к докладам и выступлениям, отчетов, подготовленных "вручную", без программных средств, стала пренебрежимо мала. Основное преимущество применения компьютерной графики в этой области – возможность за очень короткое время проверить несколько вариантов представления данных, выбрать из них наилучший, и, по мере необходимости, оперативно внести в него изменения.