Компьютерная графика
Привет! Сегодня мы разберёмся, как устроена вся та графика, которую ты видишь каждый день в играх, на YouTube, в Instagram и везде, где есть экран. Это будет интересно, обещаю!
Что такое компьютерная графика?
Представь: ты открываешь Instagram, запускаешь любимую игру или смотришь крутой ролик на YouTube. Всё, что ты видишь на экране — это компьютерная графика.
💡 Определение
Компьютерная графика — это широкое понятие, которое включает две вещи:
- Разные виды картинок и изображений, созданных или обработанных с помощью компьютера (рисунки, фотографии, чертежи, модели из игр, анимация).
- Область деятельности, где компьютеры используются как инструменты для создания и работы с этими изображениями.
🎯 Проще говоря
Любая картинка, которую ты видишь на экране смартфона или компьютера — это графический объект. А когда дизайнер рисует персонажа для игры или ты сам накладываешь фильтр на фото — это работа с компьютерной графикой.
Где используется компьютерная графика?
Компьютерная графика давно стала частью нашей жизни. Давай посмотрим, где она встречается:
Компьютерная графика повсюду — от игр до медицины
📊 Наглядное представление данных
Когда нужно показать результаты исследований, статистику или прогноз погоды — графика делает информацию понятной с первого взгляда. Например, график популярности игры, климатические изменения за год или результаты опросов в классе.
🎨 Дизайн и творчество
Дизайнеры создают интерфейсы приложений, сайты, рекламу, логотипы. Всё это — компьютерная графика. Представь, что каждая иконка на твоём смартфоне кем-то нарисована!
🎮 Игры и симуляторы
В играх графика создаёт целые миры! От полёта на самолёте до гонок на суперкаре — всё это имитация реальности с помощью компьютерной графики.
🎬 Кино и спецэффекты
Драконы в фильмах, космические битвы, анимационные персонажи — всё это работа аниматоров и художников, которые используют компьютерную графику.
💻 Программы и интерфейсы
Даже кнопки, меню и окна в твоих любимых приложениях — это результат работы дизайнеров пользовательских интерфейсов.
🎨 Цифровое искусство
Цифровая живопись, фотография, анимация — современные художники создают шедевры прямо на компьютере или планшете.
Примеры компьютерной графики: от мультфильмов до медицинских технологий
🔥 Интересный факт
Компьютерная графика (Computer Graphics, сокращённо CG) — это настолько важная профессия, что без неё не могут обойтись инженеры, архитекторы, дизайнеры и разработчики игр! Сейчас особенно востребованы профессии аниматора, интерфейс-художника, моушн-дизайнера (создатель анимированной графики), концепт-художника и 3D-моделлера.
Как создаются цифровые изображения?
Графические объекты, которые мы видим на экране, хранятся на компьютерных носителях (на жёстком диске, флешке или в облаке). Если нужно, их можно распечатать на бумаге. Такие изображения мы называем цифровыми графическими объектами.
Существует несколько способов получить цифровое изображение:
1️⃣ Цифровая фотокамера или готовые картинки
Ты делаешь фото на смартфон — и картинка сразу сохраняется в цифровом виде. Или скачиваешь готовую картинку из интернета.
2️⃣ Сканер
Если у тебя есть рисунок на бумаге, ты можешь его отсканировать — и он станет цифровым.
3️⃣ Создание с помощью программ
Ты сам рисуешь на компьютере или планшете в специальных программах (например, Paint, Photoshop, Procreate).
Три способа создать цифровое изображение
Как работает сканер?
Принцип работы сканера простой: он разбивает изображение, которое лежит на стекле, на крошечные квадратики — пиксели. Потом определяет цвет каждого пикселя и сохраняет эту информацию в двоичном коде в памяти компьютера.
🔍 Качество сканирования
Качество отсканированного изображения зависит от размеров пикселя: чем меньше пиксель, тем больше их поместится на изображении, и тем более детальную картинку мы получим.
Размеры пикселя определяет разрешающая способность сканера, которая измеряется в dpi (dots per inch — количество точек на дюйм).
📏 Например: разрешение 600×1200 dpi означает:
- Первое число (600) — количество пикселей, которые сканер может выделить в строке длиной 1 дюйм.
- Второе число (1200) — количество строк, на которые можно разбить полоску высотой 1 дюйм.
📝 Задача для размышления
Условие: Сканируется цветное изображение размером 10×10 см². Разрешающая способность сканера — 1200×1200 dpi, глубина цвета — 24 бит. Какой информационный объём будет иметь полученный графический файл?
Посмотреть решение
Размеры сканируемого изображения — примерно 4×4 дюйма. С учётом разрешения сканера всё изображение будет разбито на 4 · 4 · 1200 · 1200 пикселей.
Формула для расчёта объёма: I = K · i, где:
- K — количество пикселей
- i — глубина цвета (24 бит)
Подставляем:
I = 4 · 4 · 1200 · 1200 · 24 = 2⁴ · 2⁴ · 75 · 2⁴ · 75 · 2³ · 3 = 75 · 75 · 3 · 2¹⁵ = 16 875 · 2¹⁵ (бит) = 16 875 · 2¹² (байт) = 16 875 · 2² (Кбайт) ≈ 66 Мбайт.
Ответ: примерно 66 Мбайт.
Растровая и векторная графика
В зависимости от способа создания изображения различают растровую, векторную и фрактальную графику.
🖼️ Растровая графика
Растровое изображение состоит из пикселей — как мозаика
В растровой графике изображение сохраняется в виде растра — совокупности точек (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Каждый пиксель может принимать любой цвет из палитры, содержащей миллионы цветов. Точность цветопередачи — главное достоинство растровых изображений.
При сохранении растрового изображения в памяти компьютера сохраняется информация о цвете каждого пикселя.
✅ Достоинства растровой графики
- Точная цветопередача
- Может содержать миллионы цветов
- Реалистичность изображений
❌ Недостатки растровой графики
- Большой информационный объём
- Потеря качества при масштабировании
- Ступенчатый эффект при увеличении
📱 Как получают растровые изображения?
Растровые изображения чаще всего получают путём сканирования готовых картинок, фотографий или создают с помощью цифровых фотокамер.
📐 Векторная графика
Векторная графика — как конструктор из геометрических фигур
Многие изображения можно представить в виде совокупности отрезков, окружностей, дуг, прямоугольников и других геометрических фигур.
Каждая из этих фигур может быть описана математически: отрезки и прямоугольники — координатами своих вершин, окружности — координатами центров и радиусами. Кроме того, можно задать толщину и цвет линий, цвет заполнения и другие свойства.
В векторной графике изображения формируются на основе наборов данных (векторов), описывающих графические объекты и формул их построения. При сохранении векторного изображения в память компьютера заносится информация о простейших геометрических объектах, составляющих его.
Векторное изображение и этапы его создания из простых фигур
✅ Достоинства векторной графики
- Маленький информационный объём
- Масштабирование без потери качества
- Чёткие контуры изображений
❌ Недостатки векторной графики
- Не подходит для фотореалистичных изображений
- Ограниченная цветопередача
- Подходит только для простых изображений
🎯 Где используется векторная графика?
Такой способ хорош для чертежей, схем, деловой графики и в других случаях, где важно сохранение чётких и ясных контуров изображений.
🌀 Фрактальная графика
Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Но, в отличие от векторной, в памяти компьютера хранятся не описания геометрических фигур, а сама математическая формула (уравнение), по которой строится изображение. Фрактальные изображения разнообразны и причудливы.
Фрактальная графика — бесконечные узоры по математическим формулам
Форматы графических файлов
Формат графического файла — это способ представления графических данных на внешнем носителе (жёстком диске, флешке и т.д.).
Различают растровые и векторные форматы графических файлов. Среди них выделяют:
- Универсальные графические форматы — понимаются всеми приложениями, работающими с графикой.
- Собственные (оригинальные) форматы — форматы конкретных графических приложений.
🖼️ Растровые форматы
Bitmap
Универсальный растровый формат. Графические файлы в этом формате имеют большой размер, так как информация о цвете каждого пикселя отводится 24 бит.
Joint Photographic Experts Group
Разработан специально для эффективного хранения изображений фотографического качества. Он позволяет отбросить «избыточное» для человеческого восприятия разнообразие цветов соседних пикселей. Часть исходной информации при этом теряется, но это обеспечивает уменьшение размера (сжатие) файла.
Graphics Interchange Format
В графических файлах этого формата можно использовать только 256 разных цветов. Такая палитра подходит для простых иллюстраций и пиктограмм. Графические файлы этого формата имеют небольшой размер. Это особенно важно для графики, используемой во Всемирной паутине.
Сравнение размеров файлов разных форматов
📐 Векторные форматы
Каждый векторный редактор обладает собственным графическим форматом. Файлы, созданные в OpenOffice Draw, имеют формат ODF. Такие файлы можно открыть и в LibreOffice Draw.
С собственными форматами вы познакомитесь непосредственно в процессе работы с графическими приложениями. Эти форматы обеспечивают наилучшее соотношение качества изображения и размера файла, но поддерживаются (т.е. распознаются и воспроизводятся) только самим создающим файл приложением.
💡 Примеры для практики
Пример 1
Задача: Для информации о цвете одного пикселя требуется 3 байт. Фотографию размером 2048×1536 пикселей сохранили в виде несжатого файла. Определим размер получившегося файла.
Посмотреть решение
i = 3 байт
K = 2048 · 1536
I = K · i
I = 2048 · 1536 · 3 = 2 · 2¹⁰ · 1,5 · 2¹⁰ · 3 = 9 · 2²⁰ (байт) = 9 Мбайт.
Ответ: 9 Мбайт.
Пример 2
Задача: Несжатое растровое изображение размером 128×128 пикселей занимает 2 Кбайт памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?
Посмотреть решение
K = 128 · 128
I = 2 Кбайт
I = K · i, значит i = I/K
N = 2^i
i = 2 · 1024 · 8/(128 · 128) = 2 · 2¹⁰ · 2³/(2⁷ · 2⁷) = 2^(1+10+3) / 2^(7+7) = 2¹⁴/2¹⁴ = 1 (бит).
N = 2¹ = 2.
Ответ: 2 цвета — чёрный и белый.
🎯 Самое главное
Подведём итоги того, что мы узнали о компьютерной графике:
🤔 Проверь себя
Проверьте, как хорошо вы усвоили материал!
1. Как бы ты объяснил другу, что такое компьютерная графика?
Придумай свой пример из повседневной жизни.
2. В каких профессиях компьютерная графика играет ключевую роль?
Назови хотя бы три и объясни, зачем она там нужна.
3. Представь, что ты хочешь оцифровать рисунок. Какими способами ты можешь получить цифровое изображение?
Какой способ выберешь и почему?
4. Задачка на внимательность
Сканируется цветное изображение размером 10×15 см. Разрешающая способность сканера 600×600 dpi, глубина цвета — 3 байт. Какой информационный объём будет иметь полученный графический файл?
5. В чём разница между растровым и векторным способами представления изображения?
Приведи примеры, когда лучше использовать растровую графику, а когда — векторную.
6. Эксперимент для дома
Открой на компьютере любую растровую картинку и попробуй её сильно увеличить. Что ты увидишь? Почему так происходит? Объясни на основе того, что узнал.
7. Какая операция по преобразованию растрового изображения ведёт к наибольшим потерям его качества — уменьшение или увеличение?
Как бы ты мог это доказать? Проведи эксперимент!
8. Почему масштабирование не влияет на качество векторных изображений?
Объясни это своими словами, как будто рассказываешь младшему брату или сестре.
9. Как ты можешь объяснить разнообразие форматов графических файлов?
Зачем нужны разные форматы?
10. В чём основное различие универсальных и собственных форматов графических приложений?
Приведи примеры каждого.
11. Большой вопрос на размышление
Дай развёрнутую сравнительную характеристику растровых и векторных изображений. Укажи:
- Из каких элементов строится изображение?
- Какая информация об изображении сохраняется во внешней памяти?
- Как определяется размер файла, содержащего графическое изображение?
- Как изменяется качество изображения при масштабировании?
- Каковы основные достоинства и недостатки растровых (векторных) изображений?
12. Практическая задача
Рисунок размером 1024×512 пикселей сохранили в виде несжатого файла размером 1,5 Мбайт. Двоичный код какой длины был использован для кодирования цвета пикселя? Каково максимально возможное количество цветов в палитре, соответствующей такой глубине цвета?
13. Ещё одна задача
Несжатое растровое изображение размером 256×128 пикселей занимает 16 Кбайт памяти. Каково максимально возможное количество цветов в палитре изображения?
