Уроки комп'ютерної графіки в школі

Комп'ютерна графіка -  це спеціальна область інформатики, що вивчає методи і засоби створення та обробки зображень за допомогою програмно-апаратних обчислювальних комплексів.

Комп'ютерна графіка охоплює всі види та форми представлення зображень, як на екрані монітора, так і на зовнішньому носії (папір, плівка, тощо). Комп'ютерна графіка застосовується для візуалізації даних у різних сферах людської діяльності:

o    медицина - комп'ютерна томографія;

o    наука - склад речовин, векторні поля, графіки процесів;

o    дизайн - реклама, поліграфія, моделювання.

В залежності від способу формування зображень, комп'ютерну графіку можна поділити на:

o    піксельну (растрову);

o    векторну;

o    фрактальну;

o    тривимірну.

За способами представлення кольорів комп'ютерна графіка поділяється на:

o    чорно-білу;

o    кольорову.

За спеціалізацією в різних галузях комп'ютерна графіка є:

o    інженерною;

o    науковою;

o    web-графікою;

o    комп'ютерною поліграфією.

На перетині комп'ютерних, телевізійних та кінотехнологій стрімко розвивається комп'ютерна графіка і анімація. Значне місце посідає графіка для комп'ютерних ігор. Обіг ігрових програм складає десятки мільярдів доларів і стимулює розвиток анімації.

Структура та методи комп'ютерної графіки засновані на досягненнях фундаментальних та прикладних наук: математики, фізики, хімії, біології, статистики, програмування тощо. Це стосується, як програмних, так і апаратних засобів створення та обробки зображень. Тому комп'ютерна графіка є однією з найважливіших ділянок інформатики та стимулює розвиток комп'ютерної індустрії.

Розглянемо докладніше графічні зображення .

Растрова графіка

Нагадаємо,  що  для  відтворення  зображення  на  пристрої  виведення зображення розбивається на точки —  пікселі. Наочним прикладом цього є формування зображення на екрані монітора. Пікселі впорядковані по рядках, а набір рядків утворює растр. За аналогією із формуванням зображення на екрані монітора  будь-яке  зображення,  побудоване  на  основі  растра,  називають растровим.

Растрове зображення  —  це набір пікселів, тобто кольорових точок, розташованих на правильній сітці. Кожний піксел має певні колірні характеристики. Зазвичай піксели такі малі, що зливаються на екрані, через що зображення видається цілісним, хоча в разі його збільшення добре видно зернисту структуру .

Важливою характеристикою растра є його роздільна здатність, тобто кількість  пікселів  на  одиницю  довжини.  Значення  роздільної  здатності звичайно  записується  в  одиницях  dpi.  Роздільна  здатність  екранного зображення звичайно становить 72 або 96 dpi, відбитка лазерного принтера — 600 dpi. Кожний піксель цифрового зображення має певний колір. Для збереження кольору пікселя може використовуватись різна кількість біт. Чим більша кількість біт використовується, тим ширше діапазон відтінків та вище якість зображення.

Джерелом  растрових  даних  є  також  спеціальні  пристрої  введення: сканери, відеокамери, цифрові фотоапарати. Растрові зображення, призначені для високоякісного друку, мають дуже великий обсяг.

Серед растрових редакторів окремо слід відзначити:  Corel  Photo-Paint,     Adobe  Photoshop,  Live  Picture,    Macromedia  XRes,   Micrografx  Picture  Publisher, Paint Shop Pro.  Щоб  уникнути  проблеми  великих  графічних  файлів,  часто використовують інший спосіб подання зображень — векторний.

Векторна графіка

У  векторній  графіці  базовим  елементом  є  лінія,  яка  описується математичною  формулою.  Таке  представлення  даних  компактніше,  але побудова  об'єктів  супроводжується  неперервним  перерахунком  параметрів кривої  у  координати  екранного  або  друкованого  зображення.  Лінія  є елементарним об'єктом, якому притаманні певні особливості: форма, товщина, колір, тощо. Будь-який об'єкт (прямокутник, еліпс, текст і навіть пряма лінія) сприймається як криві лінії . Виключення складають лише імпортовані растрові об'єкти. Векторні об'єкти завжди мають шлях, що визначає їх форму. Якщо шлях є замкненим, тобто кінцева точка співпадає з початковою, об'єкт має внутрішню  ділянку,  яка  може  бути  заповненою  кольором  або  іншими об'єктами. Всі шляхи містять два компонента: сегменти та вузли. Зображення може без втрат масштабуватися, повертатися, деформуватися, також імітація тривимірності у векторній графіці простіше, ніж в растровій. Справа в тому, що кожне таке перетворення фактично виконується так: старе зображення (або фрагмент) стирається, і замість нього будується нове. Математичний опис векторного малюнка залишається тим самим, змінюються тільки значення деяких змінних, наприклад, коефіцієнтів.

До  числа  найвідоміших  векторних  редакторів  належать:  Adobe  Illustrator, Corel Xara, Macromedia FreeHand, CorelDRAW. 

Фрактальна графіка

Фрактал  –  це  об’єкт,  окремі  елементи  якого  успадковують  якості батьківських структур. Найвідомішими фрактальними об’єктами є дерева: від кожної гілки відходять менші, схожі на неї, від них –  ще менші тощо. За окремою  гілкою  математичними  методами  можна  спостерігати  властивості всього  дерева.  Фрактальні  властивості  мають  такі  природні  об’єкти  як сніжинка,  що  при  збільшенні  виявляється  фракталом;  за  фрактальними алгоритмами ростуть кристали та рослини . Поява  нових  елементів  меншого  розміру  відбувається  за  простим алгоритмом.  Очевидно,  що  описати  подібні  об’єкти  можна  всього  лише декількома математичними рівняннями.

Тривимiрна графіка

Останнім  часом все більшої  популярності  набуває тривимірна  графіка (3D-графiка),  що  вивчає  прийоми  й  методи  створення  об’ємних  моделей об’єктів, які максимально наближенi до реальних. Основним  завданням  цього  виду  графiки  є  створення  не  плоского зображення об’єкта, а його об’ємної моделi, яку можна обертати й розглядати з усiх бокiв. Для створення об’ємних зображень використовують рiзнi графiчнi примiтиви  (паралелепіпед,  куб,  кулю,  конус  та  інші)  i  гладкі  (сплайновi) поверхнi. За їх допомогою спочатку створюють каркас об’єкта, потім  його поверхню  покривають  матеріалами,  візуально  схожими  на  реальні.  Далi задають  освітлення,  гравітацію,  властивості  атмосфери  та  iншi  параметри простору, в якому вiн знаходиться . Для  об’єктів, що рухаються, вказують траєкторію  його  руху,  швидкість  тощо.  Тривимiрна  графіка  широко використовується в інженерному  проектуванні, комп’ютерному моделюванні фізичних об’єктів i процесів, в мультиплікації, кінематографії та комп’ютерних іграх.

Отже , при порівнянні цих графік можна сказати слідуюче:

Переваги растрового зображення – це простота автоматизованого введення, фото-реалістичність . Недоліки – великі розміри при хорошій якості та складність управління окремими фрагментами .

Векторні зображення мають невеликі розміри і об’єкти легко трансформуються, і це є великими перевагами. Недоліком є те що немає відображення реальної картини світу. Фрактальні зображення  будується виключно за рівняннями – це дещо ускладнює роботу . А тривимірні вимагають підвищені вимоги до апаратної частини комп’ютера; велика підготовча робота зі створення моделей усіх об’єктів сцени; обмежена свобода у формуванні зображення тощо. Та попри це все для кожної графіки є своє застосування .