Компьютерная графика в дизайне

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.

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.

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.

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.

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 – 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.

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 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.

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.

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.

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.

• Анимация

• Визуальная коммуникация

• Графический редактор

• Деловая графика (бизнес-графика)

• Драйвер графического устройства

• Изображение

• Информационная модель

• Метаданные

• Планшет графический

• Подключаемый модуль (плагин)

• Предметная область

• Программное средство

• Сканер

• Сколка

• Средства организации архивов изображений

• Средства просмотра изображения

• Трехмерное моделирование

• Устройство графического ввода

• Устройство печатающее

• Экран сенсорный

1. Чем информационный процесс отличается от материального?

2. Каковы основные категории информационных процессов, связанных с обработкой изображений?

3. Какие информационные процессы могут формировать информационные модели изображений?

4. Что понимается под термином "редактирование изображений"?

5. Что такое "визуальное восприятие"? Какие объекты и субъекты участвуют в этом процессе?

6. Что входит в предметную область компьютерной графики?

7. Что представляет собой информационная модель изображения?

8. Каковы преимущества работы с моделью изображения по сравнению с самим изображением?

9. Что понимается под термином "программное средство"?

10. Какие категории программных средств применяются в компьютерной графике?

11. Для каких целей служат графические редакторы?

12. В чем состоит назначение подключаемых модулей? Каковы их основные категории?

13. Почему трехмерное моделирование не входит в предметную область компьютерной графики?

14. Для чего предназначены драйверы? В чем состоит особенность драйверов графических устройств?

15. Какие дополнительные функции средств просмотра изображений вам известны?

16. Какие метаданные включает в состав графического файла ваша цифровая фотокамера?

17. К каким устройствам компьютера задачи компьютерной графики предъявляют дополнительные требования?

18. Какие факторы оказывают основное влияние на необходимый объем видеопамяти?

19. Каковы основные принципы формирования изображения печатающим устройством?

20. В чем состоит основное различие между устройствами автоматического и автоматизированного графического ввода?

21. Что является носителем информации в процессе визуальной коммуникации?

22. Перечислите основные причины интенсивного применения компьютерной графики в дизайне.

23. В каких формах компьютерная графика применяется в массмедиа?

24. В чем состоят преимущества применения методов и средств компьютерной графики в полиграфии?

25. Какие приемы и средства компьютерной графики применяются в разработке информационных ресурсов Интернета?

26. Как соотносятся предметы компьютерной графики и анимации?

27. Как объекты и приемы компьютерной графики применяются в трехмерном моделировании?

28. В чем состоит специфика применения приемов компьютерной графики при работе с фотографическими изображениями?

29. В чем состоит различие в применении компьютерной графики в дизайне и автоматизации проектирования?

30. Как и в каких областях используется деловая графика?

1. Оценка объемов информации, участвующей в процессе визуальной коммуникации.

2. Взаимодействие между собой прикладных областей анимации и компьютерной графики.

3. Преимущества, которые компьютерная графика дает дизайнеру.

4. Возможности применения компьютерной графики для художественного творчества.

5. Компьютерная графика, средства телекоммуникации и авторское право.

1.2. Информационные модели изображений

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.

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.

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.