Сравнение растровой и векторной графики

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

В настоящее время визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности (научные исследования, моделирование и проектирование, медицина, реклама и дизайн, игры и обучение и др.). В связи с этим получила широкое развитие компьютерная графика (КГ) – специальный раздел информатики, изучающий методы и средства создания и обработки изображений с помощью ЭВМ. По назначению компьютерную графику можно подразделить на иллюстративную (художественную), деловую, инженерную и научную.

В зависимости от способа формирования изображений КГ подразделяется на 3 вида: растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

Растровая графика (РГ)

Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. Растровые изображения редко создают вручную, чаще используют готовые рисунки или фотографии (со сканера, цифровой камеры и др.), которые затем обрабатывают с помощью графических редакторов растровых изображений. В сети Internet применяют только растровые иллюстрации.

Основным элементом растрового изображения является точка (пиксель – от англ. picture element, т. е. элемент картины). Растровое изображение напоминает мозаику и описывается конкретным расположением и цветом пикселей. Благодаря незначительному размеру точек они не видны или малозаметны, поэтому создается впечатление однородной картины.

Размер точки зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании изображение привязывается к сетке линий (растру), ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch – lpi) и называется линиатурой. Размер точки рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейке. Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней (больше – не воспринимается зрением человека, меньше – ухудшается восприятие изображения). Для воспроизведения 256 уровней тона (оттенков) достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек. Интенсивность тона в ячейках растра может регулироваться увеличением размера точек с соответствующем сокращением пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра (метод растрирования с амплитудной модуляцией (АМ)) или изменением расстояния между соседними точками одинакового размера (растрирование с частотной модуляцией (ЧМ)).

Чем больше точек и чем они меньше, тем визуально качественнее изображение (и больше размер файла). Качество изображения зависит от его разрешения, т. е. от количества точек, приходящихся на единицу длины. Разрешение обычно измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi) или в пикселях на дюйм (pixel per inch – ppi). Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером, который может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает, если для печати – то в единицах длины. Для отображения рисунка на экране монитора достаточно разрешения 72 ppi, для распечатки на принтере – 150 ÷ 200 ppi.

Понятие разрешения изображения (разрешения оригинала) не следует путать с понятиями разрешения экрана и разрешения печатающего устройства, поскольку эти понятия характеризуют свойства разных объектов.

Разрешение экрана (экранное разрешение) – это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и ОС (зависит от настроек ОС). Измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком. Самые популярные стандартные разрешения – 800 х 600, 1024 х 768, 1280 х 1024 точек.

Разрешение принтера – это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Измеряется в dpi. Стандартные разрешения – 300 и 600 dpi.

Редактирование растровой графики заключается в изменении цвета и яркости пикселей. Это удобно, когда необходимо изменить мелкие детали изображения или применить какой-либо визуальный эффект (например, эффект размытого изображения). Однако изображение, представленное в растровом виде, не хранит информацию о форме объектов. Форма получается в сознании человека за счет разницы цветов соседних пикселей, поэтому редактировать форму объектов, представленных растровым способом, достаточно сложно.

Одним из основных недостатков растровой графики является ухудшение качества при масштабировании в любую сторону (эффект пикселизации (ступенчатость) при увеличении, утрата мелких деталей при уменьшении).

Так как в файлах растровой графики запоминается цвет каждого пикселя на рисунке, такие файлы занимают, как правило, большой объем памяти. Один из способов решения этой проблемы – сжатие информации, т. е. уменьшение размера файла растровой графики за счет изменения способа организации данных в нем.

Наиболее распространенные редакторы растровой графики – Paint, Adobe Photoshop, форматы растровой графики – .bmp, .gif, .tif, .jpg, .pcx, .png и др.

Векторная графика (ВГ)

Векторная графика обычно используется не для создания художественных композиций, а для оформительских, чертежных и проектно-конструкторских работ. Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а линия (контур).

Каждый контур имеет две или более опорных точек, также именуемых узлами. Элемент контура, заключенный между двумя смежными опорными точками, называют сегментом контура. Контур может быть открытым или замкнутым – когда последняя опорная точка одновременно является и первой.

Как и все объекты, линии имеют свойства: форму (прямая, кривая 2-го или 3-го порядка), толщину, цвет, характер (сплошная, пунктирная) и др. Замкнутые контуры имеют еще свойства заполнения (заливки), а открытые – свойства узлов (вершин). Линия описывается математической формулой, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Простейшие объекты объединяются в более сложные, в результате изображение представляет собой совокупность простых элементов, называемых графическими примитивами (прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников и др.). Из-за такого подхода векторную графику часто называют объектно-ориентированной.

Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в левом верхнем углу экрана.

Примеры фигур, полученных из графических примитивов:

Векторное представление намного компактнее, чем растровое, однако построение любого объекта сопровождается непрерывным пересчетом параметров линий, в связи с чем работа с векторной графикой требует более производительных вычислительных систем.

Наиболее распространенные редакторы векторной графики – Microsoft Draw (в Office), Adobe Illustrator, CorelDraw, форматы векторной графики – .wmf, .eps, .dxf, .cgm и др.

Существуют так называемые векторизаторы (трассировщики) – специализированные пакеты преобразования растровых изображений, например, Adobe StreamLine, CorelTrace.

Сравнение растровой и векторной графики

Растровая графика Векторная графика

Достоинства растровой графики:

можно отразить множество мелких деталей, плавные переходы цветов, нечеткие границы или размытые края объектов, так как каждый пиксель
имеет незначительный размер по сравнению со всем изображением и собствен-
ный цвет;

высокое качество фотореалистичных изображений;

в силу независимости пикселей легко редактировать определенные детали изображения или все изображение в целом (менять цвет, яркость, использовать визуальные эффекты);

проще ввести в компьютер растровую графику, она является «родной» для многих устройств ввода-вывода: монитора, принтера, сканера, цифровых фото- и видеокамер. Любое изображение, выводимое на монитор или принтер, должно быть представлено в растровом виде.

Недостатки растровой графики:

растровые изображения занимают большой объем памяти, так как растровое изображение состоит из нескольких тысяч, а порой и миллионов пикселей, для каждого из которых необходимо хранить информацию о цвете;

растровое изображение плохо поддается масштабированию. При уменьшении растрового изображения несколько соседних пикселей превращаются в один, что приводит к потере информации, а следовательно, и к потере качества. При увеличении растрового изображения возникает «ступенчатый» эффект,
называемый пикселизацией.

Достоинства векторной графики:

координаты объектов могут быть заданы в любых единицах измерения. Векторные изображения хорошо поддаются редактированию. Если необходимо изменить форму объекта, то достаточно изменить координаты одного или нескольких узлов элемента изображения;

при масштабировании и других трансформациях не возникает потеря качества. Для того чтобы увеличить фигуру в два раза, достаточно умножить координаты каждой точки на два. Нет никакой привязки к пикселям, поэтому векторное изображение не зависит от разрешения;

изображения, представленные в векторном виде, занимают намного меньший объем памяти, чем растровые, потому что нет необходимости сохранять информацию о каждом пикселе изображения, для построения изображения нужны только формы и характеристики графических объектов;

содержится описание внешнего вида объектов и взаимосвязи между ними, что значительно упрощает процесс редактирования изображения и позволяет автоматизировать процесс изменения объектов. В частности, автоматизация используется в анимации: задав начальное и конечное изображение (правильно указав связи между объектами), можно запрограммировать компьютер так, чтобы он сам вычислил все промежуточные кадры.

Недостатки векторной графики:

прежде чем вывести векторное изображение на экран монитора или принтер, необходимо выполнить процесс растеризации. В настоящее время алгоритмы растеризации хорошо проработаны и активно используются во многих приложениях, однако для вывода векторной графики могут потребоваться дополнительные затраты процессорного времени;

сложно автоматизируется ввод векторной графической информации в компьютер. Зачастую изображение сначала вводится в растровом виде, а затем преобразуется в векторный вид при участии человека;

векторная графика не годится для хранения изображений фотореалистичного качества, так как они могут содержать множество мелких деталей, смазанных или расплывчатых границ и т. д., а хранение таких аспектов изображения в векторном виде крайне затруднительно. Например, фотография облаков на фоне синевы неба имеет очень много полутонов и нечетких границ, поэтому создать подобное изображение в векторном виде крайне сложно;

разработано большое количество форматов и стандартов векторной графики. Каждый разработчик имеет собственное мнение о том, какие возможности должны быть у формата или стандарта. Таким образом, разные форматы могут иметь индивидуальные возможности и разнообразные формы представления информации. По этой причине полноценный перевод из одного формата векторной графики в другой зачастую невозможен: в процессе перевода неизбежны потери части информации.

Фрактальная графика (ФГ)

Фрактальная графика, как и векторная, – вычисляемая. Фрактальная графика представляет собой результат автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальных изображений состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. ФГ редко применяют для создания печатных или электронных документов, но часто используют в развлекательных программах. Базовым элементом ФГ является математическая формула, изображение строится исключительно по уравнениям, поэтому никакие объекты (кроме формул) в памяти компьютера хранить не нужно.

Простейшим фрактальным объектом является фрактальный треугольник:

Обычная снежинка, многократно увеличенная, также является фрактальным объектом.