Секция: Информатика

Бағыты: Компьютерлік графика жүйелері

Секция:Информатика

Кіріспе

Компьютерлік графика түрлері

Растрлық графика мен векторлық графика ерекшеліктері

Фрактальды графика

Үш өлшемді (3D) графика

І. Кіріспе

Компьютерлік графика – әр түрлі кескіндерді (суреттерді, сызбаларды, мультипликацияларды) компьютердің көмегімен алуды қарастыратын информатиканың маңызды саласы. Дербес компьютерді пайдаланушылардың қатарында компьютерлік графикамен айналысатындардың саны күн санап артып келеді. Қазіргі кез-келген мекемеде кей уақытта газеттер мен журналдарға жарнамаларға тапсырыс беру немесе жарнамалық парақшалар мен буклеттер басып шығару қажеттілігі туындайды. Олардың кейбіреулері осындай жұмыстарды арнайы дизайнерлік бюролар мен жарнамалық агенттіктерге тапсырса, кейбіреулері қолда бар программалық құралдарын пайдаланып, өз күштерімен жасауға тырысады. 

Қазіргі танымал программалардың ешқайсысы компьютерлік графикасыз жұмыс істемейді. Статистикаға сүйенсек, жаппай қолданыста жүрген программаларды жасап шығарушы программистік ұжымның қызметкерлері өз жұмыстарының 90 % уақытын осы графикамен шұғылдануға жұмсайды екен. 

Ең алғаш есептеуіш машиналарда арнайы графикалық жұмыстарды атқаратын мүмкіндіктер болған жоқ, бірақ бейнелерді өңдеуде немесе алуда қолданыла бастады. Алғашқы электронды машиналар матрица негізіндегі электронды шамдармен бағдарламаланған, сондықтан өрнектерді салу арқылы жасалынатын жұмыстар қолға алына бастады. 1961 жылы программист Стив Рассел алғашқы компьютерлік ойындарлың жобасын жасады. Ойынның аты Spacewar болған, бұл ойынды PDP-1 машинасында құрастырылды, бұл компьютерлік графиканың негізін салуда алғашқы баспалдақ болды. 1963 жылы американдық Айван Сузерленд sketchpad бағдарламалық-аппараттық кешен ойлап тапты, оның негізгі мақсаты нүктелер мен сызықтар арқылы шеңберлер мен геометриялық фигуралар салу . Бұл алғашқы векторлық графиканы компьютердің көмегімен салуға мүмкіндік берді, алғашқы графикалық интерфейс пайда болды. 1964 жылы дженарал моторс компаниясы DS1 автоматтандырылған жобалау жүйесін ойлап тапты, ол IBM мен бірге жасап шығарыла бастады. 1968 жылы Н.Н.Константин «Мысық қозғалысы» атты компьютерлік математикалық, яғни дифференциалды теңдеулерді шешу арқылы мысықтың қозғалысын жасайтын мультфильм жасап шығарды.

Содан бері ақпаратты графикалық тәсілмен беру компьютерлік жүйелердің, әсіресе дербес компьютерлердің ажырамас бөлігі болып табылады.

Компьютерлік графика – арнайы есептеу кешендерінің көмегімен бейнелерді жасау мен оларды өңдеу құралдары мен әдістерін зерттейтін пән болып табылады.

Компьютерлік графика монитор экранында немесе сыртқы тасымалдаушыларда (қағаз, кинопленка, мата және т.б.) көшірмелерінде кескіндерді бейнелеудің барлық түрлерін қамтиды.

Деректерді көрнекілеу адамзат қызметінің әр түрлі салаларында орын алып келеді. Мысалы, медицина (компьютерлік томография), ғылыми зерттеулер, киімдерді модельдеу, тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар және т.б.

Кескіндерді жасаудың тәсілдеріне қарай компьютерлік графика келесі түрлерге бөлінеді:

- растрлық;

- векторлық;

- фрактальдық.

Пәннің тағы да бір ерекше бөлімі - үшөлшемді (3D) графика. Бұл пән объектілердің көлемдік модельдерін виртуалды кеңістікте құрастырудың әдістері мен тәсілдерін зерттейді. Әдетте мұнда кескіндеудің векторлық және растрлық тәсілдері үйлесімді қолданылады.

Түстеріне байланысты графика қара-ақ және түрлі-түсті болады. Әр түрлі салаларға мамандандырылғанына байланыстыинженерлік графика, ғылыми графика, Web-графика, компьютерлік полиграфия және т.б. түрлер болады.

Компьютерлік графика көбінше тек құрал ретінде қолданылғанмен, оның құрылымы мен әдістері математика, физика, химия, биология, статистика, бағдарламалау және т.б. фундаментальді және қолданбалы ғылымдарының жетістіктеріне негізделеді. Сондықтан компьютерлік графика қарқынды дамуда және көп жағдайда жалпы компьютерлік индустрияда жетекші орын алады.

Зерттеудің мақсаты:

Компьютерлік графика түрлерімен танысу, ерекшеліктерін ажырату. Оның адам өмірінде алатын орны мен қолдану салаларын анықтау.

Зерттеудің міндеттері:

Компьютерлік графиканы түрлі салаларда қолданылуын зерттеу.

Өзектілігі:

Келешекте компьютерлік графика түрлері бойынша жинақтаған білімімді күнделікте өмірде пайдалана білу.

Жұмыс барысында қолданылған ресурстар:

Әдістемелік құрал «Компьютерная графика» Л.А.Зологово   

Информатика оқу құралдары 7-8-10 сыныптар

Интернет ресурстар

Оқушылардан алынған сауалнама .

Зерттеудің әдіс-тәсілдері:

Деректер жинақтау, салыстыру,пікірлесу, қорытынды жасау.

Зерттеу жұмысының қорытындысы:

Компьютерлік графика түрлерін зерттей келе мынадай шешімдерге келдім:

Архитекторлар алғашқы сызба-нұсқаларын компьютерлік графиканың векторлық түрімен орындағаны тиімді.

Инженерлер жұмысын векторлық графикада жасағаны қолайлы.

Суретшілер өзінің талғамына қарай мультфильм кейіпкерлерін қай түрде сипаттағысы келсе, растлық пен векторлық кескіннің екеуінде пайдалануға болады.

Дизайнерлерге векторлық кескінмен жұмыс істеу қолайлы.

Жарнамалық роликтерді сипаттауда 3D- үшөлшемді графика тиімді болып отыр, себебі болашақ түтынушыларды еліктіруде күнделікті өмір мен виртуалды әлемде тауарды сипаттауда жарнаманың сапасын жоғарылатады.

2. Негізгі бөлім

2.1 Компьютерлік графиканың түрлері

Растрлық графика.

Растрлық графикада кескіндер түрлі-түсті нүктелердің жиынтығынан тұрады. Графикалық ақпараттың осындай нүктелер жиыны немесе пиксельдер түрінде ұсынылуы растрлық түрдегі ұсынылу болып табылады. Растрлық кескінді құрайтын әрбір пиксельдің өз орны мен түсі болады және әр пиксельге компьютер жадында бір ұяшық қажет. Растрлық кескіннің сапасы сол кескіннің өлшеміне (тігінен және көлденең орналасқан пиксельдердің саны) және әр пиксельді бояуға қажетті түстердің санына тәуелді болады. 

Мұндай типті кескіндер Adobe Photoshop, Corel Photo, Photofinish секілді қуатты графикалық редакторларда өңделеді. Растрлық кескіндер векторлық кескіндерге қарағанда сапасы жоғары, әсерлі болады. Қарапайым фотосуреттердің өзі компьютерде растрлық кескін түрінде сақталады. Растрлық кескіндерді Paint, Adobe Image Ready секілді программаларды қолданып қолдан жасауға да болады.

Растрлық кескіндердің артықшылықтары да, кемшіліктері де бар. 

Артықшылығы: растрлық кескінді түзетуге, әдемілей түсуге, яғни оның кез-келген бөлігін өзгертуге болады; нүктелерді қажет болмаса ішінара алып тастауға немесе қоюлатуға, сондай-ақ кескіннің әр нүктесін ақ-қара немесе басқа кез келген түске өзгертуге болады. 

Кемшілігі: растрлық кескін өлшемінің масштабын өзгерткенде (бір немесе бірнеше бағытта созу немесе сығу) кескіннің сапасын жоғалтатыны. Мысалы, кескінді үлкейткенде, оның көрінісі дөрекіленіп кетсе, кішірейткенде – кескін сапасы өте нашарлап кетеді (нүктелерін жоғалтқандықтан). 

Растрлық кескіндердің тағы бір кемшілігі – файлдар өлшемдерінің өте үлкендігінде (түстері неғұрлым көп және сапасы жоғары болған сайын, олар соғұрлым үлкен болады). 

Бірақ бұл кемшіліктеріне қарамастан, қазіргі техникада растр өте жоғары сапалы кескін алуға мүмкіндік береді. Сондықтан растрлық кескіндер көркем графикада кеңінен қолданылады. 

Растрлық графика электронды (мультимедиалық) және полиграфиялық басылымдарды жасап шығару үшін де жиі қолдылады. Растрлық графикалық редакторлар көбінесе жаңа суреттерді салу үшін емес, дайын суреттерді өңдеу үшін қолданылады. Осы мақсатта көбінесе суретшілердің қолымен салынған дайын суреттер сканерленіп алады немесе фотосуреттер алынады. Соңғы кездері растрлық кескіндерді компьютерге енгізу үшін сандық фотокамералар мен видеокамералар кеңінен қолданылуда. 

Растрлық графикада ұзындық бірлігінде нүктелер санын анықтайтын мүмкіндік ұғымының маңызы зор. Оның келесі түрлері болады:

түпнұсқаның мүмкіндігі;

экран кескінінің мүмкіндігі;

баспа кескінінің мүмкіндігі.

Түпнұсқаның мүмкіндігі.

Түпнұсқаның мүмкіндігі бір дюймдегі нүктелер санымен өлшенеді (dots per inch - dpi) және кескін сапасына қойылатын талаптарға, цифрлау тәсіліне, файлдың форматына және басқа да параметрлерге байланысты болады.

Экрандық кескіннің мүмкіндігі.

Кескіннің экрандық көшірмесінде растрдың элементар нүктесін пиксел деп атайды. Пикселдің өлшемі таңдалған экрандық мүмкіндікке, түпнұсқа мүмкіндігіне және кескін масштабына байланысты. Диагоналі 20-21 дюйм болатын мониторлар 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1280, 1920×1200, 1920×1600 нүктелі экрандық мүмкіндіктерді қамтамасыз етеді.

Экрандық көшірме үшін 72dpi мүмкіндігі жеткілікті, ал түсті немесе лазерлік принтерлерде басып шығару үшін 150-200 dpi, фотосурет басып шығару үшін 200-300 dpi мүмкіндіктері болуы керек.

Векторлық графика.

Растрлық графикада кескіннің базалық элементі нүкте болып табылады дедік. Ал векторлық графикада базалық элемент сызық болып табылады. Сызық бір тұтас объект ретінде математикалық жолмен сипатталады. Сондықтан векторлық графика құралдарымен объектіні кескіндеу үшін қажетті деректер көлемі растрлық графикамен салыстырғанда едәуір аз болады. Векторлық кескіндер, бұл - сызық, доға, шеңбер және тікбұрыш сияқты геометриялық объектілер жинағынан тұратын кескіндер. Бұл жерде вектор дегеніміз - осы объектілерді сипаттайтын мәліметтер жиынтығы. 

Векторлық графиканың басты артықшылығы оған кескін сапасын жоғалтпай өзгеріс енгізуге, оңай кішірейтуге және үлкейтуге болатындығы. Келесі артықшылығы - векторлық кескіндердің ақпараттық көлемі растрлық кескіндермен салыстырғанда әлдеқайда аз болады. Векторлық кескіндер СorelDRAW, Adobe illustrator, Micrografx Draw секілді векторлық графикалық редакторларда жасалады. 

Векторлық графикамен жұмыс істеуге арналған программалық құралдар бірінші кезекте кескіндерді өңдеу үшін емес, оларды жаңадан салу үшін қолданылады. Бұндай құралдар жарнама агенттіктерінде, дизайнерлік бюроларда, редакциялар мен баспаханаларда кеңінен қолданылады. Қарапайым геометриялық объектілер мен қаріптерді пайдалануға негізделген безендіру жұмыстары векторлық графика құралдарының көмегімен әлдеқайда оңай іске асады.

Сызық – векторлық графиканың элементар объектісі. Кез келген басқа да объекттер сияқты, сызықтың да өзіне тән қасиеттері болады. Мысалы, оның формасы (түзу немесе қисық), қалыңдығы, түсі, түрі (тұтас, пунктирлі). Тұйық сызықтардың ішін толтыру қасиеттері болады. Тұйық сызықтардың іші басқа объекттермен немесе таңдалған түспен толтырылуы мүмкін. Қарапайым тұйық емес сызық түйіндер деп аталатын екі нүктемен шектеледі. Ол түйіндердің де қасиеттері болады. Қалған объектілердің барлығы сызықтардан құралады. Мысалы, кубты өзара байланысқан алты тік төртбұрыштардан құрауға болады, ал ол тік төртбұрыштардың әрқайсысы өзара байланысқан төрт сызықтардан тұрады. Немесе кубты өзара байланысқан он екі сызықтардан құралған деп қарастыруға болады.

2.2 Растрлық графика мен векторлық графика ерекшеліктері

Салыстыру критерийлері Растрлық графика Векторлық графика 

Кескіндерді ұсыну әдісі Растрлық кескін пиксельдердің жиынтығынан тұрады. Векторлық кескіндер командалардың тізбегі түрінде бейнеленеді.

Шынайы суреттерді бейнелеу мүмкіндігі Растрлық кескіндер шынайы суреттерді айқын бейнелей алады. Векторлық графика фотосуреттегідей сапалы кескіндерді алуға мүмкіндік бермейді.

Кескіндерді өңдеу мүмкіндігі Растрлық кескіндерді үлкейтіп-кішірейткенде немесе бұрғанда кескін өзінің бастапқы сапасын жоғалтады. Векторлық кескіндерге сапасын жоғалтпай-ақ өзгеріс енгізуге, яғни қажет болса оларды кішірейтуге немесе үлкейтуге болады.

Кескіндердің басып шығарылу ерекшеліктері Растрлық суреттерді принтерде оңай басып шығаруға болады. Векторлық суреттер кейде принтерде басылмайды немесе нашар басылып шығады.

Сонымен, растрлық немесе векторлық форматты таңдау кескінмен жасалатын жұмыстың мақсатына байланысты болады. Егер түс берудің фотографиялық дәлдігі қажет болса, онда растрлық форматты таңдаған дұрыс. Логотиптерді, схемаларды, сызбаларды, безендіру элементтерін векторлық форматта жасаған тиімді. Растрлық пен векторлық графиканың екеуінде де графика (немесе мәтін) монитор экранына немесе баспа құрылғысына нүктелер жиыны ретінде шығарылады. Интернетте графика GIF, JPG, PNG сияқты растрлық форматтарда беріледі, өйткені оларды браузерлер түсіну үшін қосымша модульдерді орнатуды қажет етпейді. Бір қарағанда, векторлық графиканы қолдану тиімсіз сияқты болып көрінеді. Алайда, сызбаларды, суреттерді векторлық графикада орындаған ыңғайлы. Өйткені кез келген сызықты қате сызған кезде оны түзетуге болады. Оған қоса қолданылатын редакторлар .gif , .jpg форматтарына экспорттауды қамтамасыз етеді.

Жұмыстың мақсатына байланысты әртүрлі графикалық редакторлар (растрлық немесе векторлық) қолданылады. Әрине, олардың ортақ қасиеттері де бар – файлдарды әртүрлі форматтарды ашу немесе сақтау, аттары бірдей аспаптарды (карандаш, перо және т.б.) немесе функцияларды (выделение – белгілеу, перемешение – жылжыту, масштабирование – масштабты өзгерту және т.б.) қолдану, қажетті түсті таңдау және т.б. Бірақ, растрлық және графикалық форматтардың қасиеттеріне байланысты редакторларда сурет салу, сызбаларды орындау және редакциялау принциптері әртүрлі. Мысалы, растрлық графикада объектіні белгілеу кезінде объект күрделі формалы облыс түріндегі нүктелер жиыны ретінде қарастырылады. Оны белгілеу көбіне күрделі, әрі қиын болып келеді. Ол объектіні жылжытқан кезде орны «тесік» болып қалады. Ал векторлық графикада объект графикалық примитивтердің жиыны ретінде қарастырылады және оны белгілеу үшін мышканың көмегімен әр примитивті белгілесе болады. Ал егер бұл примитивтер топтастырылған (группировка) болса, оның кез келген нүктесіне меңзесе болғаны. Белгіленген объектіні жылжытқан кезде оның астында жатқан элементтер ашылады.

Қазіргі таңда графикалық редакторлардың бір-біріне жақындасу тенденциясы байқалуда. Көптеген векторлық редакторлар растрлық суреттерді фон ретінде қолдана алады, кескіндерді векторлық форматқа қосымша орнатылған құралдар (трассировка) арқылы айналдыра алады.

Графикалық деректер форматтары.

Компьютерлік графикада кескіндерді сақтайтын файл форматтарының отыздан аса түрлері бар. Солардың ішінде жиі қолданылатын түрлерін қарастырып көрелік.Компьютерлік графикада бейнені сақтау үшін үш ондық форматты файлдар қолданылады. Бірақ олардың жартысы ғана стандартты «де – факто» болады. Сонымен қатар сәйкес келмейтін форматтар растрлық, векторлық файлдардан, үш өлшемді бейнелерден тұрады, бірақ басқа кластағы мәліметтерді сақтай алатын басқа форматтар бар.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат жоғарғы сападағы растрлық бейнені сақтауға арналған (файл кеңейтілуінің аты TIF). Кеңінен таралғандардың қатарына кіреді және көптеген графикалық, дизайнерлік бағдарламалардың қолданысында. Монохромды ақ – қара түстен 32 разрядты CMYK түс бөліну моделіне дейінгі кең диапазонды қарастырады. 6.0 нұсқадан бастап TIFF форматында бейненің маскасы туралы мәлімет сақтауға болады. Формат көлемін кішірейту үшін LZW сығу алгоритмі қолданылады. 

PSD (Photoshop Document). Adobe Photoshop бағдарламасының өзіндік форматы (файл кеңейтілуінің аты . PSD). Бірден – бір растрлық графиканың ақпаратын сақтауға арналған жақсы формат. Көптеген маскалар, қабаттар, канал параметрлерін есте сақтауға мүмкіндік береді. 48 – разрядты кодталған түстерді және әртүрлі түсті модельдерді қолдайды. Ең негізгі кемшілігі ақпаратты тиімді сығу алгоритімінің болмауы. 

PCX. Формат Z – Soft фирмасының PC PaintBrush бағдарламасындағы растрлық мәліметтерді сақтау үшін пайда болған және бірден – бір кең таралған болып табылады (файл кеңейтілуінің аты . PCX). Көптүсті бейнелерді сақтау мүмкіндігінің болмауы, түс модельдерінің жетіспеуі және басқа да кемшіліктері форматтың кеңінен таралуына кедергі болды. Қазіргі уақытта ескірген болып табылады. 

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат растрлық бейнеледі сақтауға арналған (файл кеңейтілуінің аты . JPG). Файлдарды сығу дәрежелерінің арасындағы байланысын және бейненің сапасын реттеуге мүмкіндік береді. Қолданылатын сығу әдісі қажетсіз ақпараттарды жоюға негізделген, сондықтан форматты электронды жариялауларды қолдану үшін ұсынылған.

GIF (Graphics Interchange Format). 1987 жылы бекітілген (256) түсті сығылған бейнені сақтау құрылғысы ретінде стандартталған (файл кеңейтілуінің аты . GIF ). өзінің сығу дәрежесінің жоғарылығының нәтижесінде Интернеттен жақсы орын алады. Соңғы GIF 89а форматты версиясы мөлдір фонды сурет құруға мүмкіндік береді. Түстің шектелуінің нәтижесінде бұл формат электронды жариялауларда қолданыла алмайды. 

PNG (Portable Network Graphics). Салыстырмалы түрде жаңа (1995 ж.) формат. Бейнелерді сақтауға, Интернетке жариялауға арналған (файл кеңейтілуінің аты . PNG). Үш типті бейнені қолдайды. Ақпаратты сығу жоғалтусыз өтеді. 254 альфа – канал дәрежесі қарастырылған. 

WMP (Windows MetaFile). Windows опреациялық жүйесіндегі векторлы бейнені сақтауға арналған формат (файл кеңейтілуінің аты . WMP). Анықтауларға қарағанда осы жүйенің барлық қосымшаларын қлдайды. Бірақ стандартты түстер палитрасымен жұмыс істеу құрылғысының жоқтығы және басқа да кемшіліктері файлдың қолданысын шектейді. 

EPS (Encapsulated PostSeript). Формат Adobe фирмасының PostSeript тіліндегі векторлық сияқты расторлық бейнелермен де жұмыс жасауға арналған (файл кеңейтілуінің аты . EPS). PostSeript тілі әмбебап болғандықтан, файлда векторлвқ және расторлық графика, әріптер, маскалар, түстік палитралар бір уақытта сақталады. Экран бетіне векторлық графикадағы мәліметтерді шығару үшін WMP форматы, ал расторлықта TIFF форматы қолданылады. Бірақ экрандық көшірме тек жалпы жағдайда шынайы бейнені бейнелейді. Бұл EPS – тың кемшілігі болып табылады. Шындығында бейнені арнайы бағдарламалар көмегімен шығару құрылғысы арқылы ғана көруге болады.