Компьютерная графика в дизайне

В этой главе рассматриваются наиболее общие свойства информационной модели изображения, составляющие ее концепцию, описывается обобщенная схема работы пользователя над графическим проектом и проводится сравнение двух основных моделей компьютерной графики: векторной и пиксельной.

1.2.1. Концепция информационной модели изображения

Общее определение информационной модели объекта или явления было дано в разд. 1.1.3. Информационная модель изображения представляет собой совокупность данных, по которым можно однозначно построить изображение, и совокупность методов – операций, с помощью которых можно сформировать и модифицировать эту модель. Структура информационной модели изображения представлена на рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1. Структура информационной модели изображения

Совокупность данных, описывающих изображение, состоит из дескрипторов. Дескриптор – это структурный элемент информационной модели изображения, представляющий собой совокупность данных, содержащих в себе информацию об отдельном структурном элементе изображения. Структура дескриптора и смысл его компонентов зависят от категории изображения и выбранной цветовой модели. Они различны для пиксельной и векторной информационных моделей. Как будет показано в последующих разделах, дескрипторы информационной модели пиксельного изображения однотипны, а в информационную модель векторного изображения входят дескрипторы различных типов. Типы дескрипторов соответствуют классам объектов, составляющих изображение.

Методы информационной модели представляют собой алгоритмы, выполнение которых позволяет изменять текущее состояние модели, т. е. состав ее дескрипторов и значения свойств, хранящихся в этих дескрипторах. Как правило, методы информационных моделей изображения реализуются в виде программных модулей, включенных в состав программных средств для работы с этими моделями (см. разд. 2.1.3).

На основе информационных моделей изображения разработаны структуры и форматы графических документов. Графический документ представляет собой модификацию информационной модели изображения, предназначенную для использования в той или иной прикладной области компьютерной графики или специально для работы с тем или иным программным средством. Как правило, графический документ сложнее информационной модели изображения за счет того, что в его состав введены дополнительные элементы. Дополнительные элементы вводятся для расширения информационной емкости базовой информационной модели изображения, упрощения работы с ней и придания ей новых возможностей.

Примечание

Например, графические документы формата TIFF могут содержать в себе несколько взаимодействующих в процессе рендеринга изображений – слоев. Форматы GIF и PNG позволяют сохранять в одном документе совокупность изображений, составляющую анимационный ролик. Подробнее об элементах, дополняющих базовую информационную модель пиксельного изображения, см. в разд. 3.4.1–3.4.4.

Каждому типу графических документов соответствует формат графического файла. Форматом графического файла называется стандартизованная структура данных, в которую преобразуется графический документ при записи на носитель для последующих хранения и обработки. Форматов графических файлов значительно больше, чем информационных моделей. Дело в том, что конкретные форматы разрабатывались для различных целей, в разное время, включают в себя различные дополнительные элементы и неодинаковые модели цвета (см. разд. 1.3.3–1.3.7). Некоторые наиболее часто встречающиеся в компьютерной графике форматы графических файлов рассмотрены в разд. 2.1.4 и в главе 3.3.

1.2.2. Схема работы с информационной моделью изображения

Действия, направленные на создание изображений, предназначенных для решения той или иной задачи (а иногда – и сами эти изображения), принято называть графическим проектом. В пределах этого раздела принято несколько упрощенное толкование этого термина: целью графического проекта условно считается создание только одного изображения. Независимо от типа выбранной информационной модели изображения процесс работы пользователя над таким графическим проектом можно изобразить в обобщенном виде (рис. 1.2.2), где объекты, участвующие в работе, подписаны прямым шрифтом, а информационные процессы – курсивом.

Рис. 1.2.2. Обобщенный процесс работы пользователя над графическим проектом

Информационная модель изображения – центральный элемент схемы. Ее состояние постоянно меняется в процессе работы над графическим проектом. Заключительное состояние информационной модели соответствует изображению, являющемуся результатом графического проектирования.

Начальное состояние информационной модели зависит от того, имеется ли какой-либо исходный материал или работать приходится "с чистого листа". В последнем случае с помощью того или иного программного средства компьютерной графики (например, графического редактора) создается графический документ, соответствующий "пустой" информационной модели. При работе с векторным изображением это будет информационная модель, не содержащая дескрипторов графических объектов. При работе с пиксельным изображением – информационная модель, состоящая из совокупности дескрипторов, содержащих заданные по умолчанию данные для всех графических объектов изображения.

Если в начале работы над графическим проектом в распоряжении пользователя имеются исходные изображения, то первоначальное состояние информационной модели будет иным. Исходные изображения могут быть представлены в виде ранее построенных информационных моделей или отпечатков. Первые чаще всего представляют собой графические документы, разработанные в уже завершенных графических проектах, созданные тем же пользователем или другими авторами. Если исходные данные представляют собой фрагменты более или менее стандартных изображений, предназначенных для многократного использования, к ним применяется собирательное наименование "клипарт" (см. разд. 3.2.2).

Примечание

В переводе с английского "клипарт" означает "вырезка". Первые библиотеки клипарта, предназначенные для компьютерной графики, представляли собой наборы файлов с изолированными от фона частями пиксельных изображений. При импорте таких фрагментов в пустой графический документ получалось очень похоже на картинку, вырезанную из книги или журнала. Сегодня термин трактуется значительно шире. В понятие клипарт включают и стандартные фрагменты векторных изображений, и даже наборы трехмерных моделей. Библиотеки клипарта различного назначения и тематики сегодня выпускаются на коммерческой основе.

Если исходные данные графического проекта представлены в виде отпечатков, то исходная информационная модель получается в процессе сканирования. В компьютерной графике сканированием называется автоматический процесс анализа отпечатка на прозрачном или непрозрачном носителе, в результате которого строится информационная модель пиксельного изображения. Сканирование выполняется устройством графического ввода – сканером (см. разд. 1.1.5). В общем случае цифровые фото– и кинокамеры можно считать разновидностями сканеров.

Последующая работа пользователя над графическим проектом состоит в редактировании информационной модели изображения. К операциям редактирования относятся:

• создание новых графических объектов в составе информационной модели;

• удаление ставших ненужными объектов;

• изменение параметров ранее имевшихся в составе информационной модели объектов.

Операции редактирования выполняются с помощью программного средства – графического редактора, который представляет собой программную реализацию методов информационной модели графического документа. Это означает, что в нем в виде программных модулей реализованы алгоритмы, позволяющие выполнять все необходимые действия с этой информационной моделью. Чтобы пользователь мог применять эти методы, в графическом редакторе имеется интерфейс пользователя. Интерфейсом пользователя называется совокупность управляющих объектов, на которые он может воздействовать в процессе работы с программным продуктом через устройства ввода (объектная часть интерфейса), и процедур, выполнение которых приводит к осмысленному результату (процедурная часть интерфейса).

Например, на рис. 1.2.3 представлено диалоговое окно графического редактора. Имеющиеся на нем вкладки, флажки, списки и командные кнопки составляют объектную часть интерфейса пользователя, связанную с этим диалоговым окном. Элементом процедурной части интерфейса может служить процедура, включающая в себя следующие действия:

1. С помощью верхнего раскрывающегося списка выбрать базу выравнивания.

2. Установив флажки, определить условия выполнения выравнивания.

3. Командной кнопкой Apply выровнять выделенные графические объекты.

Рис. 1.2.3. Элементы объектной части интерфейса в диалоговом окне

Содержание интерфейса пользователя определяется как типом выбранной информационной модели изображения, так и способом реализации ее методов в конкретном графическом редакторе. Из-за этого интерфейсы пользователей различных программных средств компьютерной графики различаются, даже если эти программные средства предназначены для работы с графическими документами одного и того же формата.

Примечание

Изучение интерфейса пользователя различных средств компьютерной графики – необходимая часть подготовки специалистов в этой области. Чтобы этот процесс был более эффективным, необходимо понимание типовых задач и приемов компьютерной графики, описанных в настоящем учебнике. В противном случае назначение многих элементов интерфейса пользователя понять довольно сложно.

В процессе редактирования информационной модели изображения пользователю нужно видеть, как она меняется в результате его действий. Для этого ему требуется контрольное изображение, соответствующее текущему состоянию информационной модели. Это изображение, выводимое на экран монитора, строится заново или обновляется каждый раз после внесения изменения в информационную модель действием пользователя. Процедура построения изображения, соответствующего текущему состоянию информационной модели, называется рендерингом. Рендеринг преобразует информационную модель графического документа, с которым работает пользователь, в информационную модель изображения, которая может быть визуализирована аппаратно-программным комплексом устройства графического вывода.

Примечание

В аппаратно-программный комплекс устройства вывода обычно входят аппаратные средства этого устройства и обеспечивающие их функционирование программы – драйверы.

Рендеринг выполняется не только в процессе редактирования изображения (в этом случае выполняется преобразование информационной модели графического документа в информационную модель изображения, воспринимаемую монитором), но и при выводе изображения на печать. Отличие состоит в том, что преобразование производится в информационную модель печатающего устройства. По сравнению с информационной моделью изображения, воспринимаемой монитором, эта модель может быть значительно сложнее, и это предъявляет дополнительные требования к рендерингу.

Примечание

Например, многие печатающие устройства могут воспринимать не только пиксельную, но и векторную модель изображения. Для описания передаваемых печатающему устройству изображений разработаны специальные языки, например, PostScript. За счет усложнения информационной модели достигается повышение качества воспроизведения изображений.

В большинстве графических редакторов рендеринг контрольного изображения выполняется упрощенно. Это обусловлено требованиями оперативности редактирования – пользователь не хочет ждать перерисовки изображения на экране монитора, а полный рендеринг сложного изображения может потребовать достаточно продолжительного времени даже при работе на мощном компьютере. Вследствие этого контрольное изображение в той или иной степени отличается от результата, который будет получен при выводе на печать. Кроме того, монитор и печатающее устройство воспроизводят цвет принципиально различными методами и обладают сильно отличающимися значениями аппаратной разрешающей способности (см. разд. 3.1.2). Поэтому контрольное изображение всегда представляет собой лишь более или менее точное приближение к изображению, которое получится при выводе на печать. Этот факт играет важную роль при выполнении многих операций редактирования (в частности – цветовой коррекции, описанной в главе 3.7).

В процессе редактирования информационная модель изображения представлена структурами данных в оперативной и внешней памяти компьютера. При необходимости долговременного хранения модели ее следует записать (сохранить) в виде файла графического документа, размещенного на накопителе. Сохранением называется преобразование формата внутреннего представления информационной модели изображения в формат графического документа и запись этого документа средствами файловой подсистемы операционной системы в виде файла на устройство долговременного хранения.

Большинство графических редакторов ориентированы, главным образом, на работу с графическими документами собственного формата, специфического для этого редактора. Вместе с тем, все графические редакторы могут выполнять импорт и экспорт графических документов. Экспорт – преобразование внутреннего представления информационной модели в формат, отличающийся от собственного формата документов графического редактора, с сохранением результата в виде файла. Импорт – чтение графического документа, представленного в виде файла, в формате, отличном от собственного формата документов графического редактора, и преобразование его в формат внутреннего представления информационной модели для последующей обработки. Иногда функции импорта и экспорта реализуются в виде дополнительных модулей, которые называют фильтрами импорта/экспорта.

Как правило, работа над графическим проектом завершается экспортом графических файлов в требуемый заказчиком формат и архивацией рабочих версий графического материала в формате графических документов, с которыми работал пользователь. Например, после ретуширования фотографии у выполнявшего его специалиста остается рабочий файл в формате графического редактора, которым он пользовался, а заказчику передается графический файл в формате TIFF, содержащий в себе все, что необходимо для вывода фотографии на печать. В некоторых случаях заказчику передаются и отпечатки.

В заключение раздела кратко сформулируем его основное содержание. В процессе работы над проектом компьютерной графики изображение представляется в виде информационной модели изображения. Реальные графические редакторы работают с информационной моделью не изображения, а графического документа. Графические документы могут создаваться пустыми, формироваться автоматически, считываться из архива или импортироваться. Редактирование графического документа осуществляется средствами графического редактора, доступ к которым обеспечивает интерфейс пользователя. Процедура рендеринга формирует контрольное изображение и выводит графический документ на печать. Графические документы можно сохранять и экспортировать в графические файлы.

1.2.3. Векторная информационная модель

В этом разделе рассматриваются устройство и основные свойства базовой информационной модели векторного изображения, на основе которой разработаны все форматы векторных графических документов.

Крайне упрощая ситуацию, можно принять, что в векторной информационной модели существует только один класс объектов – линии. Каждой линии соответствует дескриптор, в котором хранятся сведения об имени объекта, и значения свойств, однозначно определяющих его расположение, форму и цвет. Меняя значения элементов дескриптора, можно преобразовывать соответствующий ему объект (перемещать, масштабировать, менять цвет). Для каждого типа преобразования объекта имеется соответствующий метод, который должен быть программно реализован в графическом редакторе, работающем с векторной информационной моделью.

Важнейшая особенность векторной информационной модели изображения, очевидная даже для такого, предельно упрощенного ее варианта, – многообразие структур дескрипторов, составляющих ее область данных. В самом деле, для хранения данных о кривых, проходящих через две точки и через десять точек, потребуется различный объем памяти компьютера.

В векторных информационных моделях изображения, использующихся на практике, не один, а много классов графических объектов (см. разд. 2.1.2). Более того, в них имеются составные графические объекты, включающие в себя несколько простых, играющих в составных объектах различные роли. В качестве примера можно привести текст, размещенный на криволинейной траектории. Здесь простыми объектами будут текст и кривая. Каждый из них можно редактировать с помощью методов его класса, но при этом у составного объекта есть и свои методы (например, изменение расстояния между текстом и кривой).

На рис. 1.2.4 представлен простейший векторный рисунок, построенный по известному детскому стишку "Точка, точка, запятая…".

Рис. 1.2.4. Векторное изображение

К сожалению, этот известный всем текст содержит явно недостаточно информации для однозначного воспроизведения изображения, и автору пришлось многое добавлять от себя. В частности, не было никаких указаний о расположении упомянутых графических объектов и об их размерах. Результаты доработки представлены в табл. 1.2.1.

Анализируя данные табл. 1.2.1, составляющие векторную информационную модель изображения, можно сделать несколько выводов о природе этой модели.

• Даже простейшее векторное изображение, как правило, включает в себя графические объекты нескольких классов. Именно из-за этого не удалось обойтись одной общей таблицей – разные классы изображения описываются различными совокупностями параметров (см. разд. 2.1.2–2.1.3).

• Дескрипторам модели соответствуют строки табл. 1.2.1. Каждый из дескрипторов описывает независимый графический объект, которому сопоставлено уникальное имя. Имя объекта может содержать в себе информацию о том, чему соответствует этот объект в реальном или виртуальном мире.

• В каждом дескрипторе кроме имени графического объекта и информации о его классе содержатся значения свойств, конкретизирующие его геометрические свойства – размеры, угол разворота, местоположение. Меняя значение этих свойств, можно изменять изображение, которое будет построено при рендеринге информационной модели.

Примечание

В дескрипторе также содержится информация о цвете объекта, но в данном примере для упрощения соответствующие свойства не были представлены.

Эти выводы будут подробнее рассмотрены в первых разделах главы 2.1. Здесь ограничимся перечислением основных достоинств и недостатков векторной информационной модели. Начнем с достоинств:

• При желании автора, векторное изображение можно структурировать с любой степенью детализации. Произвольному фрагменту изображения можно поставить в соответствие именованный графический объект или именованную связанную группу графических объектов векторной информационной модели. Это дает возможность установить соответствие дескрипторов модели структуре изображаемого объекта, что, в свою очередь, значительно упрощает и ускоряет выделение нужных для работы частей изображения.

• Геометрические преобразования векторных изображений выполняются с помощью простых операций. В процессе масштабирования изображение не искажается, визуальная информация не теряется, артефакты (визуальный шум) не появляются (рис. 1.2.5). Кроме того, ширина линий векторного изображения по желанию может оставаться при масштабировании неизменной (как на рис. 1.2.5) или меняться в соответствии с масштабом.

Рис. 1.2.5. Увеличение размера изображения при работе с векторной информационной моделью

• Векторная модель изображения сравнительно компактна, объем требующейся для ее размещения памяти зависит только от количества графических объектов, входящих в ее состав, но не от размера изображения.

• Для представления текстов в векторной модели предусмотрены специальные классы объектов. Это позволяет работать с текстом удобными методами редактирования и форматирования на любой стадии графического проекта, не снижая качество воспроизведения текста, который преобразуется в изображении только при рендеринге.