Lekce 1 - Úvod do počítačové grafiky - Rastr vs. vektor

Seriál Úvod do počítačové grafiky vás provede pokročilými metodami tvorby a úpravy rastrové i vektorové grafiky a fotografie. S počítačovou grafikou se setkáte všude kolem sebe. Stačí se podívat na etiketu na vaší PET láhvi, podívat se z okna na sytý billboard, přečíst si noviny, dívat se na televizi nebo zastavit na značce STOP. Právě tento seriál vám ukáže princip fungování této technologie, uvede vás do její tvorby a úpravy a připraví vás na její reálnou produkci.

Počítačová grafika

Než vůbec začneme, je dobré vědět, že definice „počítačová grafika“ je velmi relativní pojem a můžeme se setkat s jeho různým vymezením. Obecně se ale jedná o oblast výpočetní techniky, která se zabývá tvorbou a úpravou grafických informací.

Její užívání se, v době rostoucího výkonu procesorů a celkového nárůstu výkonu počítačů, rapidně zvyšuje, zejména na osobních počítačích. Počítačová grafika byla totiž vždy oborem s potřebou vysokého výkonů počítačů.

Kde ji nalezneme?

S počítačovou grafikou se setkal každý z nás. Pro běžného člověka je nemožné se v průběhu dne nesetkat s žádným výsledkem počítačové grafiky. Projít retušemi a úpravami v PC musely před publikací všechny tiskoviny, noviny, časopisy i billboardy.

Neexistuje ale pouze grafika statická, s počítačovou grafikou se můžete také setkat v televizi nebo v kině. Té se říká grafika postprodukční nebo také (méně častěji) televizní.

Co je typické pro běžné uživatele?

Nejčastěji se s počítačovou grafikou setkáváme při malování rastrové grafiky. Mimochodem, v rastrové grafice se setkáte s pojmem malovat (paint), zatímco ve vektorové kreslit (draw). O tom si ale povíme jindy. Občas uvidíme naše příbuzné ukazovat koláže z jejich dovolené. To se také počítá jako počítačová grafika. A samozřejmě v každé kanceláři najdeme i nějaký textový procesor (neplést s textovým editorem!). Protože se nejedná o obyčejný text, jde též o výsledek počítačové grafiky.

Pro profesionální sazbu se využívají programy DTP, ale o tom za chvíli.

Užití počítačové grafiky v profesích

V marketingu je důležitá retuš obrázků. Asi každý ví, jaká kouzla dokáže Photoshop s modelkami na obálkách populárních časopisů. Webdesignéři pracují se soubory CSS (kaskádové styly), aby oživili prostý text na webových stránkách.

Další oblastí je tvorba 3D, popřípadě 4D (animace) grafiky. A když již mluvíme o animaci, musíme zmínit nejen animované GIF soubory nebo flash animace, ale také animované filmy a seriály. Pro navrhování, projektování a modelování se užívají takzvané CAD a CAM. Pokud si vzpomeneme v rychlosti na další oblasti, můžeme zmínit třeba simulační grafiku, GIS systémy, herní průmysl, oblast virtuální reality, vizualizace dat, atp.

Závěrem (část první)

Dovolím si závěrem rozdělit počítačovou grafiku do třech oblastí. První by byla „Fotografování digitálními aparáty“, „Malování/kreslení a úprava obrázků“ a „Tvorba dokumentů a tabulek“. Jak už jsem naznačil výše, poslední oblast do počítačové grafiky patří též, i když se možná na první pohled zdá podivné.

Zpracování obrázků v PC

Takový běžný způsob, jakým uživatel zpracovává své obrázky, je prostý. Nejprve je dostane do svého PC. K tomu užije například digitální fotoaparát nebo skener. Z něj se odešlou digitální informace (data) o obrázku a uloží se do paměti PC.

Většinou se obrázek v PC ještě upraví v grafickém editoru. Co s výsledkem uživatel nakonec udělá je jen a jen na něm. Jako příklad si můžeme uvést vypálení na CD, vytisknutí fotolabem nebo tiskárnou, sdílení na internetu, atp.

Rastr versus vektor

Dnešní počítače umí ukládat grafické informace poměrně dobře. Užívají k tomu dvou způsobů. První se nazývá rastrová grafika, druhý grafika vektorová. Nedá se říci, že by jedna z nich byla lepší než druhá. Rozdíl v nich totiž spočívá v tom, že každá se užívá pro jiné účely. Jak již jsem naznačil dříve, pro rastrovou grafiku se užívá výrazu malba (paint), pro vektorovou kresba (draw).

Obrázek: Phrood, původní autor: Anton (rp) 2004 CC-BY-SA-3.0

Jak vidíte na obrázku, rastrová grafika při přiblížení ztrácí kvalitu, zatímco vektorová si ji uchovává při jakékoli velikosti. Důvod si vysvětlíme obratem.

Rastrová grafika

Rastrová grafika je složena z obrazových bodů. Oproti vektorové grafice je to jednodušší, ale datově náročnější způsob. Užívá se k reprezentaci diskrétního (digitálního, nespojitého) obrazu. Obraz je tedy složen z mnoha malých bodů. Každý z těchto bodů má vlastní pozici (souřadnice). Odtud se odvodil název pro „bitmapu“.

S rastrovou grafikou se setkáme především na fotografiích nebo na digitálně namalovaných obrázcích (například v programu Malování). Hodí se tedy pro záznam realistického obrazu (naskenovaných fotografií, fotografií z digitálního aparátu, portrétů a jiných obrazů, atp.), účelem je přesně zachovat zachycenou scénu v digitální podobě.

Výhody

• věrné zachování původní scény
• přirozené pořízení, zobrazení
• lze ovládat každý bod na obrazu

Nevýhody

• velké prostorové nároky
• snížení kvality po zvětšení (transformaci)
• závislost na počet bodů, ze kterých je obraz složen

Obrázek: A Stream of Stars over Paranal, ESO/G. Lombardi, CC BY 4.0

Co je to pixel?

Zmínil jsem se již o jakýchsi „obrazových bodech“. Lépe se jim říká pixely a jsou základní jednotkou digitální rastrové grafiky. Název se odvodil od anglického výrazu picture element. Určitě jste se také setkali s pojmem „rozlišení“. Jedná se vlastně o hustotu pixelů na jednotku délky (obyčejně na palec, tj. asi 2,54 cm).

Každý pixel má taky své vlastnosti, atributy. Hlavně tedy pozici (souřadnice) a barvu (popřípadě alfa-kanál, tj. průhlednost).

Vektorová grafika

Vektorová grafika je pro člověka (na rozdíl od počítače) trochu složitější na pochopení. S obrazovou informací totiž pracuje jako s matematicky definovanými křivkami (vektory). Programy (např. Inkscape) ukládají informaci pomocí matematického zápisu spolu s některými atributy: tvarem, barvou, tloušťkou, výplní, atp.

Například křivka je definována kotevním body A a B a vektory, které mezi těmito body dopočítají přesný tvar čáry.

Obrázek: Darth Stabro, CC-BY-SA-3.0

Tvůrce vektorové grafiky obvykle pracuje s větším množstvím vektorových objektů, které mohou být různě uspořádány. Z takových objektů se finálně složí celkový obraz. Při tvorbě se užívá nástrojů jako úsečka, křivka, text, obdélník, elipsa, výplň nebo obrys.

Objekty se mohou překrývat (ve vrstvách) v libovolném pořadí a když je již jednou nakreslíte, později je můžete upravovat aniž byste ovlivnili okolní objekty.

Výhody

• neomezená možnost zvětšení obrázku
• následná možnost úpravy jednotlivých objektů
• možnost pracovat s každým objektem zvlášť
• relativně malá velikost souboru po uložení

Nevýhody

• neschopnost ztvárnit realistický obraz
• horší možnosti práce s barvou

Použití

• DPT oblast při výrobě tiskovin
• „fonty“ jsou vytvořeny vektorově
• konstrukce a modelování
• tvorba diagramů, schémat, animací
• marketing, billboardy, loga, atp.

Programy pro práci s počítačovou grafikou

Pro základní práci s rastrovou grafikou pro běžného uživatele je v systému Windows dodáván program Malování (Paint). Jak si ale jistě uvědomujete, zdaleka nestačí ani na trochu pokročilejší úpravy/tvorbu.

V takovém případě můžete sáhnout po programu Adobe Photoshop. Je sice komerční, ale je to profesionální program s opravdu vysokými možnostmi. Jako náhradu lze využít Gimp, který je freeware. Jako další příklady uvedu Zoner Photostudio a Corel PHOTO-PAINT.

Pokud se jedná o vektorovou grafiku, existuje zas komerční verze Adobe Illustrator a freeware náhrada Inkscape. Další Zoner Callisto nebo Corel DRAW. S vektorovými objekty můžete pracovat i v některých rastrových editorech (Photoshop, Gimp). Jako příklad lze samozřejmě vyjmenovat editory pro technické kreslení: AutoCAD, Inventor, atp.

Princip 3D grafiky

Principem 3D grafika vychází právě z vektorové grafiky. Pouze má přidaný další rozměr, prostorovou osu Z. V modelovacím programu se ze základních tvarů tvoří složitější, poté se potáhnou texturou. Užívá se v herním průmyslu, virtuální realitě, u vizuálních efektů ve filmové oblasti, v reklamě, umění, atp.

• Cinema4D (komerční)
• Blender (freeware)

Závěrem (část druhá)

Oba typy ukládání grafických informací mají své mouchy, čímž v důsledku vzniká situace, kdy se oba způsoby kombinují. Existuje také postup změny typu, tedy rasterizace (z vektorové na rastrovou) a vektorizace (z rastrové na vektorovou). Problém je v kvalitě výsledného obrazu po použití těchto metod.

Příště se budeme věnovat optice a barevným modelům, používaných v digitální grafice.

Více informací a zdroje

• Počítačová grafika a multimédia, Pavel Navrátil, ISBN 80-86686-77-9
• Počítačová grafika pro úplné začátečníky, Pavel Roubal, ISBN 80-7226-896-1
• Učební materiály SPŠSOU Pelhřimov
• Wikipedie, otevřená encyklopedie, http://wikipedia.org/