Основы информационной биологии
называется черепашьей графикой, поскольку алгоритм его реализации напоминает способ передвижения черепах. Автором метода является биолог по образованию Аристид Линдемауер.
Простейшим фрактальным объектом является фрактальный треугольник, который получается следующим образом. Вначале строится обычный равносторонний треугольник со стороной а. Далее каждая из его сторон разделяется на три отрезка. На средних отрезках сторон строятся равносторонние треугольники со стороной, равной 1/3 стороны исходного треугольника. С полученными треугольниками повторяются те же операции. Треугольники можно достраивать аналогичным образом до бесконечности (рисунок 6.3).
Рисунок 6.3 – Построение фрактального треугольника («снежинка Коха»)
Можно заметить, что треугольники последующих поколений наследуют свойства своих родительских структур. Так рождается фрактальная фигура. Взяв такой бесконечный фрактальный объект и рассмотрев его в лупу или микроскоп, можно найти в нем все новые и новые детали, повторяющие свойства исходной структуры.
Появление новых элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму. Очевидно, что описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.
Фрактальными свойствами обладают многие объекты живой и неживой природы. Обычная снежинка, многократно увеличенная, оказывается фрактальным объектом. Фрактальные алгоритмы лежат в основе роста кристаллов и растений. Если взглянуть на ветку папоротникового растения, то можно увидеть, что каждая дочерняя ветка во многом повторяет свойства ветки более высокого уровня. В отдельных ветках деревьев чисто математическими методами можно проследить свойства всего дерева.
Основное предназначение фрактальной графики – создание симметричных и асимметричных объектов сложной конфигурации, таких как модели растений, насекомых и даже искусственные пейзажи (рисунок 6.4).
Полесский государственный университет |
71 |
Основы информационной биологии
Рисунок 6.4 – Изображение «металлический коралл», созданное средствами фрактальной графики
Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций и для создания изображений ландшафтов при разработке компьютерных игр.
Методы фрактальной графики служат основой для работы специализированных программ – генераторов ландшафтов, например VistaPro и World Builder. Средства фрактальной графики используются как вспомогательный инструментарий редакторами трехмерной графики, такими как 3D Max, Maya, Lighwave.
Полигональная графика. Изображения формируют наборы векторов и полигонов (многоугольников) (рисунок 6.5).
Полесский государственный университет |
72 |
Основы информационной биологии
Рисунок 6.5 – Изображение, созданное средствами полигональной графики
Полигон (от греч. polýgonos – многоугольный), полигональная линия – это ломаная линия, составленная из конечного числа прямолинейных отрезков (звеньев). Под полигоном также понимают замкнутую ломаную линию, т. е. многоугольник. В трехмерной графике полигон – это минимальная поверхность, элемент, из которого складываются каркасы форм любой сложности. Чем больше полигонов, тем более детализованной будет модель.
Полигональная графика является основой для генерации объемных изображений редакторами трехмерной графики, такими как 3D Max, Maya, Lighwave Cinema 4D. В трехмерной графике в качестве полигонов обычно применяют треугольники. Она широко используется при создании компьютерных игр.
В целом, полигональная графика достаточно проста в создании, особенно если сравнивать с фотореалистичной визуализацией. Она напоминает ранние дни компьютерного моделирования и анимации с налетом современных техник. Чем меньше полигонов используется на стадии моделирования, тем более абстрактным будет результат. Для выраженного эффекта необходимо отключить функцию сглаживания в настройках рендеринга для получения четких граней.
Можно создавать полигональные рисунки в таких программах как Adobe Illustrator, CorelDraw и даже Adobe Photoshop. Эти программы, в отличие от специфичных 3D пакетов, позволяют создавать стилизованные, декоративные изображения с нехарактерными цветовыми сочетаниями.
С помощью специальных функциональных генераторов для создания триангулярных изображений возможен перевод растровых изображений в полигональную композицию. Есть ряд настроек и кнопка рандомизации для получения случайных результатов. После того как изображение будет готово в форматах PNG и SVG.
Полесский государственный университет |
73 |
Основы информационной биологии
6.5 Цветовые модели
Графические редакторы независимо от того, растровые они или векторные, работают с изображениями, в которых непременно присутствует цвет, пусть даже просто черный и белый. Дескрипторы информационной модели компьютерного изображения содержат информацию об использованных в нем цветах.
Редактирование изображений, в особенности растровых, включает и изменение информации о цветах. В связи с этим становится актуальным выражение цвета в численном виде. В процессе подготовки иллюстрации исходная фотография превращается в электронную форму, обрабатывается в графических программах, отображается на экране монитора, распечатывается на принтере или офсетной машине. На каждом этапе цвета обрабатываемого документа получают различным образом, и для корректной передачи цвета необходимо согласование всех этапов подготовки изображения. Таким образом, возникает необходимость однозначного описания цвета.
Цвет является важнейшим изобразительным инструментом. Как составная часть изображения цвет выполняет сразу две важные функции:
–является средством кодирования информации об изображенном предмете;
–является средством воздействия на ассоциативную память зрителя, призванным вызвать у него определенные эмоции.
Физически в основе цвета лежит волновая природа электромагнитных колебаний высокой частоты – света. Световые волны разной длины поразному воздействуют на сетчатку глаза. В силу физиологии органов зрения цветовосприятие – субъективный процесс, и его характеристики во многом определяются индивидуальными особенностями человека. Дневной свет, например, субъективно воспринимается как лишенный цветовой составляющей, но в физическом смысле он представляет собой смесь колебаний всех частот (не только оптического, но и смежных диапазонов).
Одни устройства могут воспринимать цвета – это глаза человека, фотопленка, сканер. Другие воспроизводят цвета – фотобумага, принтер, офсетная машина. При каждом из этих процессов число цветов хоть и велико, но меньше полного диапазона. Так, глаз не воспринимает цвета ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Фотоаппарат бессилен перед очень темными оттенками. Традиционная офсетная печать не передает очень светлые и яркие тона.
Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан каким-либо способом, называется цветовым охватом. Цветовой охват монитора, офсетной машины и глаза разный, причем у глаза он наибольший. Часть из того, что воспринимает глаз, не может передать экран монитора (на экране, например, нельзя точно передать чистые голубой или желтый цвета). Часть цветов, которые отображает монитор, невозможно напечатать с
Полесский государственный университет |
74 |
Основы информационной биологии
помощью принтера или офсетной машины (на печати плохо передаются светлые оттенки, составляющие которых имеют низкую плотность). Существующую разницу цветовых охватов устройств вывода можно представить с помощью схемы (рисунок 6.6).
Рисунок 6.6 – Цветовой охват монитора, офсетной машины и человеческого глаза
Каждый из охватов может быть выражен определенной моделью цвета. Цветовые модели представляют собой средства для концептуального и количественного описания цветов определенных областей спектра.
В настоящее время для математического описания цвета предложено несколько цветовых моделей. Одновременное существование различных цветовых моделей объясняется тем, что ни одна из моделей не является идеальной или универсальной и каждая наиболее применима в своей определенной прикладной области.
Устройство моделей одинаково: в каждой из них принято несколько базовых компонентов, и каждый базовый компонент вносит вклад в создание конкретного цвета. Базовые компоненты модели называются каналами, таким образом, цветовые модели состоят из одного или нескольких цветовых каналов. Цвета, которые можно описать, используя выбранную модель, входят в ее цветовой охват или образуют цветовое пространство модели.
Ахроматические цветовые модели. Имея представление о природе цвета, можно понять, что белый цвет соответствует равномерной смеси частот электромагнитных колебаний оптического диапазона, а черный – отсутствию света. Для описания изображений, содержащих пиксели только этих двух цветов, а также промежуточных оттенков серого цвета используют две
Полесский государственный университет |
75 |
Основы информационной биологии
ахроматические (не включающие цвета) модели. Их важность в компьютерной графике обусловлена тем, что ахроматические изображения очень распространены и с ними приходится работать довольно часто.
Ахроматическими называются монохромные и полутоновые изображения.
Монохромные изображения
Монохромное (или штриховое) изображение представляет собой изображение, каждый пиксель которого может быть только одного из двух цветов: основного (чаще черного) или фонового (чаще белого). Промежуточные варианты исключены. Для представления цвета такого изображения используют единственный монохромный канал. Монохромные изображения могут использоваться для хранения штриховой графики, например рисунков тушью или гравюр.
Для записи растрового изображения в памяти компьютера необходимо сохранить информацию о цвете каждого пикселя изображения. Информация о цвете пикселя должна помещаться в ячейки памяти компьютера, который работает с цифровой информацией в двоичной системе счисления. Двоичный разряд может иметь два значения: единицу и ноль. В нашем случае при записи пикселей монохромного изображения, если пиксель окрашен в белый цвет, это означает, что точка люминофора экрана, отвечающая за отображение цвета данного пикселя, должна будет светиться (состояние – 1); если же пиксель окрашен в черный цвет, значит соответствующая точка экрана светиться не должна (состояние – 0).
Таким образом, чтобы «запомнить» цвет одного пикселя монохромного изображения, в памяти компьютера будет занята 1 ячейка (1 бит) памяти (состояние 1 или 0). На рисунке 6.7 показано монохромное изображение в редакторе Photoshop.
Полесский государственный университет |
76 |
Основы информационной биологии
Рисунок 6.7 – Монохромное изображение в Photoshop
Количество бит памяти, которое требуется для хранения информации о цвете одного пикселя изображения, называется глубиной цвета. Глубина цвета – один из важнейших параметров растрового изображения. Глубина цвета монохромного изображения – 1 бит, поэтому такой тип изображений иногда называют однобитным или битовым. Если монохромное изображение будет иметь размеры 100 * 100 пикселей, то для его хранения потребуется 100 пикселей х 100 пикселей х 1бит = 10000 бит = 1250 байт = 1,22 Кбайт памяти.
Полутоновые изображения
Полутоновое изображение отличается от монохромного тем, что составляющие его пиксели могут быть любого из оттенков, составленных смешением двух базовых цветов. Оттенком называется смесь базовых цветов модели в фиксированной пропорции. Таким образом, оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием в них базового цвета.
Полутоновые изображения используются для хранения черно-белых фотографий, карандашных иллюстраций, а также в других случаях, когда без цвета можно обойтись. На рисунке 6.8 показано полутоновое изображение в редакторе Photoshop.
Полесский государственный университет |
77 |
Основы информационной биологии
Рисунок 6.8 – Полутоновое изображение в Photoshop
Чтобы однозначно определить цвет пикселя полутонового изображения, условно все оттенки серого цвета, полученные в результате плавного перехода от черного к белому, разбили на 256 частей. Такое количество градаций яркости оказалось вполне достаточным, чтобы корректно отобразить, например, черно-белое фото. Шкалу, содержащую 256 градаций яркости, где нулевое значение соответствует черному цвету (яркость – 0), а 255 – белому (максимальная яркость), называют серой шкалой.
Для записи цвета пикселя полутонового изображения нужно указать номер цвета из оттенков серой шкалы (т.е. один из 256 возможных вариантов). Чтобы записать максимальное значение – 255 в двоичном коде, потребуется восьмизначное двоичное число, для хранения которого нужно 8 ячеек памяти (28=256). Таким образом, глубина цвета полутонового изображения – 8 бит. Если полутоновое изображение будет иметь размеры 100 х 100 пикселей, то для его хранения потребуется 100 пикселей х 100 пикселей х 8 бит = 80 000 бит =10 000 байт = 9,76 Кбайт памяти.
Таким образом, для представления цвета полутонового изображения используется один полутоновый канал, содержащий 256 оттенков серого цвета. В связи с этим полутоновое изображение, имеющее те же физические размеры, что и монохромное (при одинаковом разрешении), займет в памяти компьютера в 8 раз больше места.
Хроматические цветовые модели. В отличие от точек ахроматических моделей точки изображений в хроматических моделях могут иметь оттенок
Полесский государственный университет |
78 |
Основы информационной биологии
любого цвета (отсюда название – полноцветные модели). Цвета в таких изображениях получаются также путем сложения базовых компонентов в различных пропорциях.
Существует много различных типов полноцветных моделей, но в графических редакторах, как правило, применяется не более четырех. Эти модели известны под названиями RGB, CMYK, Lab и HSB.
Изображения в модели RGB (аддитивная модель)
Цветовую модель RGB – Red/Green/Blue – имеют изображения, предназначенные для экранного просмотра, а также полученные путем сканирования. Таким способом формируется цветное изображение на экране монитора или телевизора, данная модель применяется при подготовке графики, предназначенной для демонстрации на темных экранах.
Цветное растровое изображение сложено из точек, создаваемых в результате наложения красного (red), зеленого (green) и синего (blue) монохромных изображений на черном фоне (подложке). Эти слова соответствуют трем базовым цветам наиболее распространенной модели излучаемого цвета. Выбор именно этих базовых цветов обусловлен физиологией человеческого зрения, непосредственно воспринимающего только эти цвета. Все остальные цвета в этой модели образуются за счет смешения базовых цветов в различных пропорциях. Это смешение при рассматривании происходит в результате смыкания в глазу зрителя изображений от небольших, близко расположенных друг к другу источников света.
Тройки смежных источников, каждый из которых излучает определенный свет базовых цветов модели, могут имитировать более 16 миллионов цветов. Регулировка пропорций, в которых смешиваются базовые цвета, выполняется за счет изменения интенсивности излучения источников.
При сложении (смешении) лучей основных цветов этой модели (красный, зеленый, синий) образуется новый цветовой тон, который при этом оказывается светлее, чем отдельные его составляющие. Это неудивительно, ведь в результате одновременного свечения двух разноцветных лампочек суммарная освещенность в итоге бывает больше, и свет приобретает новый оттенок. Цвета подобного типа (излучаемые цвета) называют аддитивными (от англ, add – складывать), а цветовую модель, основанную на сложении цветов
(RGB), аддитивной моделью.
Цветовое пространство модели RGB может быть представлено в виде цветового куба (рисунок 6.9).
Полесский государственный университет |
79 |
Основы информационной биологии
Рисунок 6.9 – Цветовое пространство модели RGB
По осям координат откладываются значения яркости свечения базовых цветов (цветовых каналов). Каждая из цветовых составляющих может принимать значения от нуля (нет света) до максимального (наибольшая яркость). Внутреннее пространство образовавшегося куба содержит все возможные цвета данной модели. В начале координат значения каналов равны нулю (черный цвет). В противоположной точке смешиваются максимальные значения всех трех каналов, образуя белый цвет. На линии, соединяющей эти точки, располагаются оттенки, образованные соединением трех базовых цветов в равной пропорции. Эти оттенки составляют серую шкалу. При смешении базовых цветов одинаковой яркости в результате всегда получается ахроматический серый цвет, оттенок которого в зависимости от степени яркости базовых компонентов может варьироваться от черного до белого. Три вершины куба, лежащие на осях, дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.
Модель RGB можно назвать базовой моделью компьютерного дизайна. Цвета RGB складываются так же, как лучи света.
Для записи цвета пикселя полноцветного изображения в модели RGB нужно указать номер цвета, полученного смешением трех составляющих. Поскольку каждый цветовой канал по сути является полутоновым, для
Полесский государственный университет |
80 |