INFORMATIKA VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ HELENA NOVOTNÁ MODUL 5 POČÍTAČOVÁ GRAFIKA

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ HELENA NOVOTNÁ INFORMATIKA MODUL 5 POČÍTAČOVÁ GRAFIKA STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 c Helena Novotná, Brno 2004

3 Obsah Vstupní informace k modulu 5 Cíle Požadované znalosti Doba potřebná ke studiu Klíčová slova Barevné modely Aditivní barevný model Subtraktivní barevný model Barevný model HSV Pixely a souřadnice Hloubka pixelu a displeje Palety Typy palet Formáty pro ukládání grafické informace Rastrové (bitmapové) formáty Vektorové formáty Grafické editory Rastrové (bitmapové) editory Vektorové editory CAD systémy D systémy Autotest 22 Závěr 27 Shrnutí Studijní prameny Klíč k autotestu

4 4

5 Počítačová grafika Vstupní informace k modulu Tato kapitola by měla sloužit k základnímu seznámení s pojmy, se kterými se můžete potkat v různých oblastech práce s výpočetní technikou. Ať už na počítači píšete texty nebo kreslíte výkresy, určitě se potkáte s nastavováním barev, a proto byste měli něco vědět o barevných modelech a uložení barev v počítači. Pokud pracujete s fotografiemi, grafy či schématy a dáváte je do webových stránek, měli byste něco vědět o možnostech jednotlivých grafických formátů, o tom, jak zmenšit velikost souboru s obrázkem, aniž byste ztratili kvalitu obrázku. Jestliže budete na počítači rýsovat, měli byste mít představu o tom, co jsou to CAD systémy a jaké mají možnosti. Oblast počítačové grafiky je velmi široká: od zpracování fotografie po vytváření počítačových modelů reálných objektů či počítačových animací. Počítač lze použít místo rýsovacího prkna a stejně tak lze na počítači vytvářet umělecká díla. Všechny tyto oblasti jsou velmi rozsáhlé, ale mají jakýsi minimální vědomostní základ, se kterým se vás pokusím v dalším textu seznámit. Text není příliš prakticky zaměřen, jedná se spíš o souhrn základních teoretických poznatků, které zužitkujete v další praxi či studiu, ať už při práci s CAD systémy, při vytváření webových stránek či v dalších oblastech, kde dojde na grafické prvky. Nenechte se mýlit tím, že se jedná o elementární poznatky. Jejich neznalost vám může způsobit problémy v okamžiku, kdy to nejméně čekáte. Například barvy ve webových stránkách se nastavují v modelu RGB, při přenášení souborů mezi různými grafickými programy potřebujete zvolit správný formát souboru atd. Požadované znalosti Předchozí znalosti, potřebné pro pochopení následujícího textu, nejsou velké. Měli byste mít základní povědomí o tom, jak pracuje počítač, co je to soubor, jak pracuje tiskárna či monitor... Doba potřebná ke studiu Potřebný čas výrazně závisí na tom, jaké předchozí praktické zkušenosti s počítačovou grafikou máte. Pokud běžně používáte grafické programy, tak text pro vás bude připomenutím a osvěžením stávajících znalostí a víc než hodinu vám jeho studium nezabere. Pokud je pro vás počítačová grafika zatím velkou neznámou, tak vám prostudování textu s tím, že se alespoň některé věci pokusíte vyzkoušet, může trvat něco kolem 3 hodin. Text byste měli alespoň částečně studovat u počítače, abyste si některé věci mohli vyzkoušet. Poznámka: V textu je poměrně velké množství obrázků, které ilustrují pojmy probírané v textu. Ve většině obrázků je barva podstatná, proto po případném vytištění na černobílé tiskárně se tyto barevné informace ztratí. Asi si obrázky nebudete vybarvovat pastelkami, ale měli byste si je aspoň jednou barevné prohlédnout na počítači. 5

6 Informatika Klíčová slova Barevné modely, RGB, CMY, grafické formáty, rastrový (bitmapový) popis obrazu, vektorový popis obrazu, grafické editory, CAD systémy. 6

7 Počítačová grafika 1. Barevné modely Světlo lze z fyzikálního hlediska chápat jako vlnění v oblasti 10 8 MHz. Každá barva odpovídá určité frekvenci. Rozsah člověkem vnímatelných barev je od červené (4, MHz) až po fialovou (7, MHz). Nižší hodnoty odpovídají infračervenému světlu, vyšší ultrafialovému záření. V rámci viditelné části spektra je člověk schopen rozlišit víc než různých barev a jejich odstínů. Existují tzv. komplementární barvy, jejichž složením vznikne bílé světlo. Barevné modely určují, ze kterých základních barev se budou ostatní skládat, jaký bude poměr jednotlivých základních barev a jakým způsobem se budou základní barvy míchat Aditivní barevný model pracuje na principu přidávání barev do černé. Můžeme si jej představit jako tři barevné žárovičky blízko sebe, které se rozsvěcují v různé intenzitě. Pokud jsou dostatečně blízko sebe, vnímá lidské oko jen výslednou složenou barvu. Typický aditivní model je RGB Red, Green, Blue (červená, zelená, modrá). Barvy jsou vytvářeny přidáváním (přičítáním) barvy do černé. Čím více barev se přidá, tím více se blíží bílé. Aditivní barevné prostředí nepotřebuje vnější světlo (např. barvy na monitoru). Obrázek 1: Model RGB 1.2. Subtraktivní barevný model Základní barvy jsou odečítány od bílého světla, čím více odečtu, tím více se blížím černé. (Každá barva vlastně pohltí část spektra černá je absolutní pohlcovač světla, bílá všechno světlo odrazí.) Typický subtraktivní model je CMY Cyan, Magenta, Yellow (tyrkysová, fialová, žlutá). Subtraktivní prostředí je prostředí, které odráží světlo, a proto potřebuje vnější zdroj světla. Jakákoliv předloha zobrazená na papíře je příkladem subtraktivního modelu. Používá se v tiskárnách, plotrech, ve fotografii. Obrázek 2: Model CMY 7

8 Informatika Další možnou variantou je model CMY(K), kde je přidána ještě černá barva. Důvodem je šetření barevných kazet například u tiskáren Barevný model HSV Je jedním z modelů orientovaných na uživatele, které používají intuitivní fyzikální veličiny odstín (základní spektrální barva), sytost (poměr čisté barvy a bílé), intenzita (jas). Mění se počet barevných úrovní, pomocí nichž se vytvářejí nové barvy. Odstínem se rozumí základní spektrální barva. Její hodnota se většinou vybírá tak, jak jdou barvy duhy za sebou. Pro 3bytové barvy (TrueColor) je tudíž vybráno 256 základních spektrálních barev. Někdy se při zadávání používá zobrazení barev do kruhu a barva se potom udává ve stupních od 0 do 360 a program si ji vnitřně přepočítá na číselné hodnoty (0 255). Sytost udává množství bílé barvy, přičemž úplně sytá barva neobsahuje ani trochu bílé. Částečně sytá barva je světlejší právě díky přidání bílé (červená barva s 50% sytostí je růžová). Intenzita (jas) je stupeň zářivosti barvy, tj. kolik světla odráží. Barva s malou intenzitou je tmavá. Změnu jasu si můžeme představit tak, že do základní spektrální barvy přidáváme černou. Model HSV se tak nejvíce přibližuje systému používanému malíři a jinými umělci, neboť ti vytvářejí nové odstíny barev přidáváním bílé a černé do jiných barev, aby vytvořili jejich nádechy. Obrázek 3: Vybírání barvy v programu Corel Draw Ve většině programů můžete zadávat barvy několika způsoby (viz obr. 3), protože existují převodní algoritmy mezi jednotlivými systémy. Do souboru se ale barvy nejčastěji ukládají v modelu RGB. 8

9 Počítačová grafika Příklad 1: V tabulce 1 jsou uvedeny ekvivalentní hodnoty RGB, CMY a HSV pro některé barvy (u RGB a CMY je na každou složku 1B, pro HSV jsou pro větší srozumitelnost hodnoty ve stupních a procentech) barva R G B C M Y H S V bílá % 0% 100% černá % 0% 0% červená % 100% 100% zelená % 100% 100% modrá % 100% 100% žlutá % 100% 100% azurová (cyan) % 100% 100% fialová (magenta) % 100% 100% šedá (50%) % 0% 50% šedá (tmavě) % 0% 25% růžová (50%) % 50% 100% růžová (25%) % 25% 100% tmavě červená % 100% 80% hnědá % 100% 50% Tabulka 1: Hodnoty barev pro různé barevné modely Cvičení 1: V libovolném programu, který umožňuje práci s barvami, si vyzkoušejte zadání několika barev (např. žlutá, oranžová, tmavě červená, hnědá) v různých barevných modelech. Nemusíte nutně použít grafický program, barvy se nastavují i v textových editorech pro písmo, v tabulkových kalkulátorech pro podložení tabulkové buňky, atd. Nevybírejte z předpřipravených barev, ale snažte se najít možnost, kdy můžete opravdu zadat jednotlivé složky ve vybraném barevném modelu. 2. Pixely a souřadnice Pixel (picture element) je jeden ze základních pojmů počítačové grafiky. V počítačové grafice jsou pozice dat uloženy jako matematické souřadnice; zobrazovací plocha výstupního zařízení je však fyzický objekt. Proto je nutné si uvědomit rozdíly mezi pixely (body) fyzickými a logickými. Fyzické pixely jsou body, které používá k zobrazování výstupní zařízení. Tyto prvky jsou přímo ovládány hardwarem výstupního zařízení. V praxi obrazové zařízení překrývá nebo skládá vedle sebe několik menších bodů tak, aby 9

10 Informatika vytvořily jeden barevný bod: obrazovka několik malých bodů vysvítí jeden pixel, inkoustová tiskárna velikost pixelu odpovídá velikosti kapičky barvy, laserová tiskárna velikost bodu odpovídá několika zrnkům toneru. Logické pixely jsou matematické body, které specifikují polohu. Kromě informace o poloze nesou s sebou informaci o své barvě. Jsou to vlastně nejmenší částečky obrazu. Je třeba programově zajistit mapování mezi logickými a fyzickými pixely Hloubka pixelu a displeje Počet bitů, které reprezentují daný pixel, určuje počet barev, kterých může pixel nabýt. Čím větší počet bitů, tím větší i možný počet barev. Hloubkou pixelu se většinou rozumí právě počet bitů nutných pro reprezentaci jeho barvy (viz tabulka 2). Někdy se jako hloubka pixelu (bodu) přímo uvažuje tento počet barev. Více bitů na jeden pixel také znamená větší paměťovou náročnost uložení grafické informace. Počet možných barev Hloubka pixelu 2 1 monochromatický obraz 16 4 základní barvy bitů = 1 byte 16,8 miliónů 24 bitů = 3 byty TrueColor Tabulka 2: Hloubka pixelu Většina moderních zobrazovacích zařízení dokáže zobrazit více než 16,8 miliónů barev, což odpovídá 24 bitům na barvu jednoho pixelu. O těchto zařízeních se říká, že jsou schopné zobrazovat tzv. pravé barvy (True Color). True Color je nejdokonalejší z popisovaných režimů a obrázky mohou být reprezentovány v jedné ze dvou variant. TrueColor RGB pracuje se třemi bajty pro každý pixel. TrueColor RGBA má k dispozici čtyři bajty, přičemž čtvrtá složka (A neboli α) nese informaci o průhlednosti pixelu a nevztahuje se přímo k barvě. Někdy se skutečný počet barev na pixel, které jsou uloženy v grafickém souboru, liší od těch, které mohou být zobrazeny na daném výstupním zařízení. Zejména pokud je v souboru více barev, než je schopné výstupní zařízení zobrazit, může docházet ke ztrátě barev, a tím i kvality. 3. Palety Obrazová data, která mají hloubku více než jeden bit na pixel, se často ukládají pomocí palety. Paleta (mapa barev, indexová mapa, tabulka barev) je jednorozměrné pole hodnot barev. Grafický soubor s paletou potom obsahuje nejprve popis palety a potom teprve vlastní data, kde jsou barvy určeny indexem do palety (viz obr 4). V některých případech je lepší ukládat data jako 10

11 Počítačová grafika indexy do palety, v jiných je lepší ukládat hodnotu barvy přímo. Pro obrazové předlohy, které obsahují nejvýše 256 barev (grafy, schémata, ale i některé obrazové předlohy), je vhodnější ukládání přes paletu, protože se tím výrazně zmenší velikost souboru. Pro pravé barvy se paleta neužívá. Obrázek 4: Použití palety na zobrazení barev 3.1. Typy palet Paleta univerzální paleta (256 barev). Barvy se skládají kombinací z 8 odstínů červené (3 bity), 8 odstínů zelené (3 bity) a 4 odstínů modré (2 bity). Na obrázku 5 je vidět část paletových barev. Obrázek 5: Paleta pro model RGB Paleta (252 barev) zohledňuje různou citlivost oka na barevné složky základní barvy jsou: 7 odstínů červené, 12 odstínů zelené a 3 odstíny modré. Adaptovaná paleta je paleta optimalizovaná na jeden konkrétní obrázek. Paleta se určuje podle barev, které se v obrázku vyskytují. Výpočet palety 11

12 Informatika bývá časově náročný, ale výsledek může výrazně snížit velikost souboru, protože není třeba ukládat v pravých barvách. Možností, jak vybrat v barvách obrázku množství barev potřebné do palety (nejčastěji 256), je mnoho. Základní metody konstrukce palety jsou dvě: shora dolů vybíráme z množiny použitých barev tak dlouho, až dostaneme požadovaný počet barev (třeba podle četnosti jednotlivých odstínů). zdola nahoru sdružují se příbuzné barvy do skupin, dokud nemáme požadovaný počet skupin. Poznámka: Velikost výsledného souboru při ukládání obrázků může být opravdu velmi podstatná. Například při vytváření obrázků do webových stránek byste měli na tuto skutečnost myslet. Čím je větší velikost souboru s obrázkem, tím je pomalejší jeho zobrazování ve stránce a navíc mnohdy zbytečně zatěžuje síť. Dokladem toho, jak tvůrci stránek tuto skutečnost podceňují, jsou často stránky, na kterých je větší množství obrázků v náhledové velikosti. Teprve po kliknutí na náhled se otvírá obrázek ve skutečné velikosti. Správně by v této situaci měly být nachystány obrázky dva jeden malý (velikostí i počtem barev) pro náhled a druhý větší a kvalitnější pro případné následné zobrazení. Pokud tvůrci stránek neuvažují a malý obrázek dostanou tak, že jen zmenší obrázek až ve webové stránce, tak zcela zbytečně stahujete množství dat navíc. V tabulce 3 je ukázka rozdílu ve velikosti souboru při uložení naskenované fotografie. Jednou bylo skenováno s rozlišením 100 dpi, podruhé s rozlišením 200 dpi (dpi = dots per inch, body na palec). Počet Počet barev (hloubka bodu) Typ obrázku bodů 16 (4) 256 (8) 16,8 mil. (24) obrázek 9 13 cm, 100 dpi kb 177 kb 531 kb obrázek 9 13 cm, 200 dpi kb 708 kb kb Tabulka 3: Ilustrativní údaje o paměťové náročnosti Příklad 2: Ukázky na obrázku 6 předvádějí, jak budou vypadat výsledky ukládání s různými nastaveními palet. Rozdíl mezi uložením v pravých barvách a v adaptované paletě je minimální. Z toho je vidět, že pro předlohy, které neobsahují celou škálu barev, lze adaptovanou paletu s úspěchem použít. 12

13 Počítačová grafika Obrázek 6: Použití adaptované palety při ukládání souboru 4. Formáty pro ukládání grafické informace Formáty pro ukládání grafické informace rozumíme formáty souborů, které obsahují grafická data, stejně jako textové soubory obsahují texty. Grafických formátů je celá řada, liší se podle původu a účelu, ke kterému mají sloužit. Znalost grafických formátů a s tím související znalost programů, které s těmito formáty pracují, nám ušetří mnohé zklamání při práci s grafickými daty. Například už z podstaty vektorového formátu je nemožné, aby se ve vektorovém editoru dalo efektivně pracovat na úpravách fotografií (měnit jim ostrost, odstíny barev apod.). Stejně tak je ale nemožné v programu, určeném na zpracování rastrové grafiky, kreslit přesné plány budov. Prostě každá oblast grafiky chce svoje. Grafické formáty můžeme rozdělit na následující skupiny: Rastrové (bitmapové) obsahují data jako matici barevných bodů. Vektorové obsahují data jako popis grafických prvků. Metaformáty obsahují rastrové i vektorové části. Scénové, animační a multimediální formáty. V následujícím textu se budeme stručně věnovat rastrovým a vektorovým formátům a základním rozdílům mezi nimi. Zájemce o práci s multimediálními formáty je třeba odkázat na odbornou literaturu. 13

14 Informatika 4.1. Rastrové (bitmapové) formáty Obrázek 7: Příklad rastrového obrázku (přehnaně zvětšeno) Rastrové formáty ukládají obraz jako posloupnost grafických elementů, bodů, pixelů. Každý pixel má jako svůj atribut barvu. Pro tyto formáty se také často používá název bitmapové podle anglického bitmap (bitová mapa). Navíc jeden ze základních rastrových formátů má koncovku.bmp. Podle počtu možných barev rozlišujeme formáty: monochromatické (postihují jen dvě různé barvy), ve stupnici šedi, barevné. Popis každého formátu se skládá z hlavičky, palety (mapy barev) a vlastních rastrových grafických dat. Hlavička může obsahovat: identifikaci a verzi grafického formátu informaci o uloženém obrazu informace určující velikost obrázku jako jsou: rozměry, poměr stran, počet řádků v předloze, počet pixelů na řádku apod. počet bitů pro uložení barevné hodnoty pixelu (tj. počet možných barev) způsob uložení grafických dat například do vzorkovacích řádků (u každého pixelu okamžitě všechny barvy) nebo planární data (nejdřív pro všechny body hodnoty červené, potom zelené... ). informace o případné kompresní metodě. Paleta (mapa barev) slouží k zajištění nezávislosti grafického formátu na technickém vybavení. Popisuje, jakým způsobem se má hodnota abstraktní barvy (popsané číslem) zobrazit na konkrétním zařízení. O paletách viz výše. Rastrová data Zde jsou uloženy informace o barvě jednotlivých pixelů obrazu (nejčastěji v modelu RGB). Způsob uložení dat se podle jednotlivých formátů liší. K tomu, aby byla data správně interpretována, jsou potřebné údaje z hlavičky. 14

15 Počítačová grafika Příklad 3: Na obrázku 8 je ukázka naprosto vymyšleného formátu, který by měl názorně ukázat, jak se do rastrového souboru uloží obrázek, na kterém je kružnice. Současně by z příkladu mělo být vidět použití palety (čtyřbarevné) k uložení dat. hlavička paleta data fiktivní učební formát bity na pixel 0: (0, 0, 0) černá 1: (255, 0, 0) červená 2: (0, 255, 0) zelená 3: (255, 255, 255) bílá první řádek druhý řádek { }} { { }} { } {{ } } {{ } 1. byte 2. byte třetí řádek { }} { Obrázek 8: Rastrový formát Z toho, jak rastrová data vypadají, vyplývají výhody, ale také omezení těchto grafických formátů. Klady Jsou speciálně určeny pro ukládání předloh z reálného světa (skenované obrázky, digitální fotografie). Rastrové soubory mohou být snadno vytvářeny z existujících pixelových dat uložených v poli někde v paměti. Rastrové hodnoty mohou být modifikovány individuálně nebo po větších množstvích, na těchto modifikacích se může podílet i paleta. Například není problém v obrázku najednou vyměnit jednu barvu za jinou. Mohou být snadno přenášeny na rastrová výstupní zařízení. Obrazovka i většina tiskáren pracuje na rastrovém principu. Zápory Jsou většinou velmi rozsáhlé a to zejména tehdy, když je v předloze množství barev. Datová komprese sice může objem barevných dat zmenšit, ale před dalším použitím musí být data dekomprimována, což snižuje rychlost čtecího a zobrazovacího procesu. 15

16 Informatika Většinou jsou problémy s výraznější změnou jejich velikosti: zmenšení mizí tenké čáry, zvětšení snížení kvality. Při výrazném zvětšení můžeme dostat buďto rozmazané obrázky, nebo zubaté okraje a čáry. Záleží na tom, jak se při zvětšení dopočítají chybějící pixely. Příklad 4: Příklady rastrových formátů BMP (Microsoft Windows Bitmap) mono, 4, 8, 24 bity; vytvořen pro Microsoft Windows, chybí mu dobré kompresní schéma, nehodí se pro ukládání dat s velkou barevnou hloubkou a pestrostí (je velký). GIF (Graphics Interchange Format) univerzální, hojně využíván v internetu, barevné obrázky, rychlý, snadno čitelný, umí průhlednou barvu, lze vytvářet animované obrázky. JPEG, JPG (Joint Photographic experts Group) metoda pro přenos grafických údajů a současně i název formátu, zejména pro programy manipulující s grafikou, užívaný v internetu pro předlohy z reálného světa (fotografie), má ztrátovou komprimační metodu. PCX není univerzální, rozšířený v DOSovském světě. Nemá příliš dobrou kompresi. TIFF se užívá převážně v typografii, příliš nezávisí na platformě, generují ho skenery, rozmanitý formát někdy přináší problémy (mnoho různých verzí) Vektorové formáty Popisují obraz v podobě zakódované posloupnosti kreslicích příkazů. Postupným provedením těchto příkazů na obrazovce nebo jiném výstupním zařízení se vykreslí výsledný obraz. Prvky vektorových obrazů úsečka, oblouk, kružnice, elipsa, křivka, písmeno... mají atributy jako pozice a rozměry, barva, tloušťka čáry, výplň apod. Obrázek 9: Vektorový obrázek Příklad 5: Obrázek dvou kružnic a dvou úseček z předchozího obrázku vypadá po uložení do vektorového formátu ve zjednodušené podobě následovně: CIRCLE (souřadnice středu, poloměr) CIRCLE LINE (souřadnice koncových bodů) LINE

17 Počítačová grafika Z toho, jak vektorové formáty vypadají, vyplývají jejich výhody a nevýhody. Klady Paměťové nároky v zásadě odpovídají složitosti obrázku (počtu objektů) a jsou v praxi většinou nižší než u rastrových obrázků obdobného obsahu. Vektorový popis obrázku lze snadno editovat (upravovat). Změna objektu se provede změnou některé jeho vlastnosti. Například pro zvětšení kružnice stačí zvětšit její poloměr. Při zobrazování a tisku je využíváno rozlišení daného zařízení. Kvalita závisí pouze na tom, jak kvalitní se např. tiskárna použije. Protože většina výstupních zařízení pracuje na rastrovém principu, je nutné vektorový obrázek převést do rastrové podoby (tzv. rasterizace). Dělá se to až těsně před tiskem a v takovém rozlišení, jaké je potřeba, proto není problém se změnou velikosti obrázku při tisku. Zápory Omezená oblast použití, těžko lze převést do vektorové podoby třeba fotografii. Velká škála formátů, z nichž mnohé nejsou mezi sebou převoditelné. Příklad 6: Příklady vektorových formátů DXF (Data exchange Format) světový standard pro výměnu mezi CAD systémy. Většinou v tomto formátu lze vyměňovat data ve všech vektorových grafických programech. VML (Vector Markup Language) navrhovaný formát pro vektorovou a čárovou grafiku, který by měl být zahrnut v internetových prohlížečích. PLT(HPGL) informace pro výstupní zařízení komunikující v jazyce HP-GL (Hewlet Packard Graphic Language). Tento formát je převážně určen pro plotry a tiskárny. Jednotlivé programy mají své vlastní vektorové formáty, například: AutoCAD (DWG), CorelDraw (CDR)... Příklad 7: Příklady metaformátů, které obsahují současně vektorová a rastrová data. Princip je takový, že co jde, je zadáno ve vektorové podobě a jen menší část (např. textury) je zadána jako rastrová data. WMF (Windows Meta File) používají ho všechny aplikace pod Microsoft Windows. EPS (Encapsulated PostScript) je určen pro tiskové soubory pro tiskárny, osvitové jednotky apod., které umí interpretovat jazyk PostScript. Mnohé aplikace jej umí vytvářet, ale neumí jej číst. Používá se zejména v DTP. 17

18 Informatika 5. Grafické editory Grafické editory jsou programy určené primárně pro práci s grafikou, i když v mnohých z nich lze například připravovat i jednoduché publikace včetně textů. Jejich škála je velmi široká od volně šiřitelných až po drahé softwary určené pro grafická studia či ateliéry. Můžeme je zhruba rozdělit podle toho, pro jaké druhy grafických dat jsou určeny a k jakému účelu mají sloužit. Rozdělení grafických editorů ukazuje obrázek 10. Oblasti použití grafických programů se ve skutečnosti pochopitelně překrývají. Například některé CAD systémy velmi dobře zvládají i tvorbu 3Dobjektů, v některých vektorových editorech určených primárně pro volné kreslení můžete nakreslit a okótovat jednoduchý plánek. Obrázek 10: Rozdělení grafických editorů V dalším textu se budeme zabývat obecnými vlastnostmi jednotlivých skupin grafických programů, tedy tím, co můžeme od jednotlivých typů grafických programů očekávat. Je jasné, že po jiném grafickém programu sáhne reklamní studio, po jiném fotografický nadšenec s digitálním fotoaparátem a po jiném projekční kancelář Rastrové (bitmapové) editory Zástupci: Paint, Adobe PhotoShop, Corel PhotoPaint, Image Composer, Photo Styler... Základem práce je zpracování rastrového obrazu, tj. kreslení i úpravy ve výsledku znamenají změny barvy bodů. Primárně jsou určeny pro zpracování fotografií či vytváření uměleckých obrázků. Základní vlastnosti: napodobují ruční kreslení tužka, guma, sprej, různé typy štětců obsahují nástroje na vytvoření základních geometrických tvarů umožňují manipulace s obrazem, např. výřezy, převracení apod. obsahují barevné výplně různých typů, tyto výplně lze modifikovat a vytvářet vlastní úpravy obrázků = změny barevných tónů, jasu, kontrastu, změny palety 18

19 Počítačová grafika široká škála rastrových efektů retušovací nástroje, rozmazávání, zostřování... Obrázek 11: Rastrové efekty 5.2. Vektorové editory Zástupci: CorelDraw, Adobe Ilustrator, Aldus FreeHand, Zoner Callisto... Základem je zpracování vektorového obrazu. Kreslení znamená vytváření nových objektů a úpravy znamenají změny vlastností těchto objektů. Primárně jsou určeny pro tvorbu grafiky z předdefinovaných prvků, které můžeme nejrůznějším způsobem upravovat a doplňovat. Lze do nich vkládat rastrové obrázky, ale možnost jejich úprav je většinou omezená. Základní vlastnosti: základní geometrické objekty úsečky, křivky, geometrické tvary (kružnice, mnohoúhelníky), písmo... výběr objektů a manipulace s nimi posun, kopie, zvětšování (i neproporční), otáčení, zkosení perspektiva, transformace jednoho objektu ve druhý, editace křivek... rozsáhlé možnosti práce s textem Obrázek 12: Práce s textem ve vektorovém editoru 19

20 Informatika 5.3. CAD systémy Obrázek 13: Řez Zástupci: AutoCAD, MicroStation, Spirit, ArchiCAD, TurboCAD... CAD (Computer Aided Design) = počítačová podpora projektování, navrhování pomocí počítače. Většina CAD systémů umožňuje kromě efektivního vytváření výkresové dokumentace v rovině i prostorové kreslení. Existují buďto obecné systémy nebo specializované programy pro jednotlivé profese. Tyto specializované programy často fungují jako nadstavby na obecnými systémy, proto je výhodnější se nejprve naučit některý z obecných CAD systémů (AutoCAD, Microstation apod.) a teprve potom se poohlížet po specializovaném programu pro některou profesní skupinu. Základní vlastnosti CAD systémů: přesné způsoby zadávání bodů, pomocné režimy pro pohodlné a rychlé zadávání souřadnic možnosti zadávání různých geometrických tvarů (úsečky, elipsy, křivky... ) možnosti zpracování písma jsou většinou omezeny směrem k tvorbě technické dokumentace knihovny šrafovacích vzorů a typů čar, které je možné doplňovat editační příkazy posun, kopie, otáčení, změny velikosti, ořezávání a protahování objektů, vytváření polí, dělení objektů,... kótování sdružování objektů do bloků, možnost rozčlenění výkresu na vrstvy (hladiny) se samostatnými vlastnostmi (barva, viditelnost... ) tvorba kvalitní výkresové dokumentace, výstup v měřítku propojení s databází z výkresu je možné exportovat např. kusovníky zejména specializované CAD systémy obsahují rozsáhlé knihovny předpřipravených prvků 20

21 Počítačová grafika D systémy Pod název 3D systémy se sdružují programy, kreré umí pracovat s prostorovými (3D = trojrozměrnými) objekty. Základy práce s 3D objekty v současné době obsahuje většina CAD systémů, které umí vytvořit statický model prostorového objektu s povrchy, zapojenými světly apod. Specializované programy potom dokážou z modelu vytvořit dynamický model různé animace či videosekvence, doplnit k modelu pozadí atd. Následující postup ukazuje cestu k fotorealistickému zobrazení scény, pro které se používá termínu render. Výsledkem rendru jsou obrázky, které by měly odpovídat fotografii daného objektu. Počítačový model se spojí s pozadím, světly apod., takže výsledek je někdy těžko rozpoznatelný od fotografie skutečného objektu. Na tuto fázi potom může navázat fáze animací a tvorby videosekvencí. Obrázek 14: Příklad rendrovaného obrázku Postup k fotorealistickému zobrazení 1. Tvorba prostorového modelu. Tato fáze je náročná v tom, že je třeba vytvořit model, který svými tvary co nejpřesněji odpovídá realitě. K tomu se používá celá řada postupů od skládání z předdefinovaných těles (hranoly, válce... ) přes množinové operace s tělesy (sjednocení, průnik, rozdíl) po speciální příkazy jako je ořezávání, úpravy stěn těles atd. 2. Vytvoření perspektivních pohledů na model. 3. Jednotlivým objektům či jejich plochám jsou přiřazeny materiály. Různé druhy povrchu různě mění vlastnosti odraženého světla. Materiál je většinou definován buďto svými fyzikálními vlastnostmi, nebo pomocí textur (rastrových obrázků), které se mapují na jednotlivé plochy tělesa (cihly, dřevo... ). Parametry charakterizující materiálu mohou být: 21

22 Informatika barva základní barvy povrchu hladkost od úplně matného povrchu po ideální zrcadlo kovovost má vliv na intenzitu a barvu lesklého odrazu průhlednost od neprůhledného po úplně průhledné čiré sklo index lomu fyzikální konstanta, poměr rychlosti šíření světla ve vakuu a daném materiálu. 4. Do modelu jsou zahrnuta světla, která lze spojovat s pohledy na model např. ranní osvětlení a pohled z jihu nebo večerní slunce, lampy a pohled na terasu. Do medelu je většinou možné umístit různé druhy světelných zdrojů lišících se svými vlastnostmi. Nejčastější možnosti světelných zdrojů jsou: Bodový zdroj světlo se šíří z bodu všemi směry (př. žárovka). Zdroj rovnoběžného světla rovnoběžné paprsky osvětlující se stejnou intenzitou celý model (př. slunce). Plošný zdroj světla světlo vychází jakoby z plochy (př. okno, panel se zářivkami). Kuželový zdroj nejvíce připomíná reflektor, má kužel ostrého a rozptýleného světla, jemuž zadáváme směr, kterým svítí. 5. Závěrečným krokem většinou bývá doplnění pozadí, mlhy, případně různých přírodnin do modelu. 6. Autotest V následujících otázkách je vždy právě jedna odpověď správná. 1. V barevném modelu RGB pro 24bitové barvy bude zelená popsána trojicí: (a) (0, 255, 120) (b) (0, 255, 0) (c) (0, 0, 255) (d) (120, 120, 120) 2. Aditivní barevné prostředí (a) nepotřebuje vnější světlo. (b) slouží k sečítání palet. (c) potřebuje vnější světlo. (d) míchá barvy z černé, modré a zelené. 3. Subtraktivní barevné prostředí (a) odráží světlo, a proto potřebuje vnější zdroj světla. (b) odráží světlo, ale nepotřebuje vnější zdroj světla. (c) rozděluje barvy na studené a teplé. (d) absolutně pohlcuje světlo. 22

23 Počítačová grafika 4. Monitory počítačů nejčastěji pracují v barevném modelu (a) CMY(K) (b) CMY (c) RGB (d) HLS 5. Na principu přidávání černé a bílé barvy do spektrálních barev pracuje (a) aditivní barevný model. (b) barevný model HSV. (c) subtraktivní barevný model. (d) model CMY(K). 6. Barva, kterou v modelu HSV můžeme popsat jako (0%, 50%, 100%), bude (a) světle modrá. (b) růžová. (c) tmavě červená. (d) zelená. 7. Hloubka pixelu je (a) hloubka, na kterou se pixel ponoří do kapalného dusíku. (b) počet bitů na rozlišení jeho barvy. (c) True Color hodnota. (d) množství toneru potřebné na jeden tiskový bod. 8. Zařízení, které je schopno zobrazovat pravé barvy (True Color), má hloubku (a) 360 bitů na pixel. (b) 257 bitů na pixel. (c) 16 bitů na pixel. (d) 24 bitů na pixel. 9. Paleta NEní (a) mapa barev. (b) indexová barevná mapa. (c) jednorozměrné pole hodnot barev. (d) nastavení barevného modelu. 10. Pro ukládání grafických dat v pravých barvách (True Color formátu) je použití palety (a) zbytečné. (b) jediné možné řešení. (c) doporučené. (d) velmi výhodné. 23

24 Informatika 11. Použitím palety pro 256 barev se velikost souboru s obrázkem oproti přímému uložení barev (a) nezmění. (b) zvětší. (c) zmenší. (d) zvětší, o kolik závisí na obsahu obrázku. 12. Adaptovanou barevnou paletou se rozumí (a) paleta přizpůsobená barevnému modelu. (b) paleta optimalizovaná pro konkrétní obrázek. (c) paleta adaptovaná na výstupní zařízení. (d) paleta vytvořená pouze ze základních spektrálních barev. 13. Formáty pro přenos a ukládání grafických dat můžeme rozdělit na (a) velké a malé. (b) monochromatické a synchronní. (c) rastrové a vektorové. (d) bitmapové a rastrové. 14. Který z následujících formátů NEní rastrový (bitmapový)? (a) BMP (b) GIF (c) TIFF (d) DXF 15. Které z následujících tvrzení NEní pravdivé? (a) Rastrové (bitmapové) formáty jsou určeny pro ukládání předloh z reálného světa (např. digitální fotografie). (b) Rastrová (bitmapová) data mohou být snadno přenášena na obrazovku nebo inkoustovou tiskárnu. (c) Rastrová (bitmapová) data se hodí na ukládání obrázků, které budeme výrazně zvětšovat či zmenšovat. (d) Na barevných modifikacích rastrových (bitmapových) souborů se může podílet paleta. 16. Velikost rastrového (bitmapového) souboru bez komprese, který obsahuje obrázek, (a) závisí na složitosti obrázku. (b) závisí na dpi tiskárny. (c) nezávisí na složitosti obrázku. (d) závisí na velikosti monitoru. 24

25 Počítačová grafika 17. Rastrový (bitmapový) obrázek má při výrazném zvětšení oproti původnímu obrázku (a) podstatně horší kvalitu. (b) Rastrové obrázky nelze zvětšovat. (c) výrazně lepší kvalitu. (d) nezměněnou kvalitu. 18. Vektorový obrázek má při výrazném zvětšení oproti původnímu obrázku (a) podstatně horší kvalitu. (b) Vektorové obrázky nelze zvětšovat. (c) výrazně lepší kvalitu. (d) nezměněnou kvalitu. 19. Které z následujících tvrzení NEní pravdivé: (a) Vektorové formáty jsou určeny pro ukládání předloh složených pouze z orientovaných úseček (vektorů). (b) Paměťové nároky vektorových obrázků v podstatě odpovídají složitosti obrázku. (c) Při zobrazení vektorových dat na rastrovém zařízení (např. monitoru) se využívá rozlišení daného výstupního zařízení. (d) Při změně velikosti vektorové obrázky neztrácejí kvalitu. 20. Metasoubory jsou (a) soubory pro ukládání příkazů metajazyka. (b) soubory určené pro práci s metatextem. (c) grafické soubory, které obsahují současně rastrová i vektorová data. (d) tiskové soubory pro osvitové jednotky. 21. Která z následujících technik nejvíce přiblíží prostorový obrázek realitě? (a) Nasvícení. (b) Rendrování. (c) Viditelnost. (d) Stínování. 22. Bodový zdroj světla v CAD a 3D systémech odpovídá v realitě nejvíce (a) slunci. (b) žárovce. (c) televizoru. (d) reflektoru. 25

26 Informatika 23. Zkratka CAD v názvech CAD systémů znamená (a) Computer Aided Design. (b) Computer Adobe Design. (c) Cinema AutoDesign. (d) Computer AutoCAD Drawing. 24. Který z následujících nástrojů obvykle NEobsahuje rastrový grafický editor? (a) Guma. (b) Sprej. (c) Retušovací nástroje. (d) Nástroje na přesné zadávání bodů. 25. Který z následujících nástrojů obvykle NEobsahuje CAD systém? (a) Nástroje pro kótování. (b) Nástroje pro změnu velikosti objektů. (c) Retušovací nástroje. (d) Nástroje pro rendering. 26. V modelu RGB pro 3bytové barvy je barva zapsaná šestnáctkově jako CDCDCD. Co je to za barvu? (a) Světle šedá. (b) Černá. (c) Zelená. (d) Tmavě modrá. 26

27 Počítačová grafika Závěr Shrnutí Text měl podat základní poznatky z počítačové grafiky týkající se práce s barvami a grafickými formáty. Další část textu ukazuje nejdůležitější vlastnosti rastrové a vektorové grafiky a poukazuje na rozdíly mezu rastrovým a vektorovým přístupem ke zpracování obrazu. Závěrečná část textu stručně provádí tvorbou prostorového modelu a fotorealistického zobrazení. Studijní prameny Seznam základní literatury [1] Žára J., Beneš B., Felkel P. Moderní počítačová grafika Seznam doplňkové studijní literatury [2] Murray J., vanryper W. Encyklopedie grafických formátů [3] Sobota B., Milián J.Grafické formáty Odkazy na elektronické studijní zdroje a prameny [4] vanicek/is/pocgr.htm (učební text) [5] (informační server) Klíč k autotestu Správné odpovědi 1b, 2a, 3a, 4c, 5b, 6b, 7b, 8d, 9d, 10a, 11c, 12b, 13c, 14d, 15c, 16c, 17a, 18d, 19a, 20c, 21b, 22b, 23a, 24d, 25c, 26a 27