Введение

Компьютерная графика, изображения, определяемые точками, линиями и кривыми. Компьютерная иллюстрация.

Векторная графика — это форма компьютерной графики, в которой визуальные изображения создаются непосредственно из геометрических фигур, определенных на декартовой плоскости, таких как точки, линии, кривые и многоугольники. Связанные с этим механизмы могут включать в себя аппаратное обеспечение для векторного отображения и печати, векторные модели данных и форматы файлов, а также программное обеспечение, основанное на этих моделях данных (особенно программное обеспечение для графического дизайна, системы автоматизированного проектирования и географические информационные системы). Векторная графика является альтернативой растровой или битовой графике, и каждая из них имеет свои преимущества и недостатки в конкретных ситуациях. Хотя векторное оборудование в значительной степени устарело в пользу растровых мониторов и принтеров, векторные данные и программное обеспечение продолжают широко использоваться, особенно когда требуется высокая степень геометрической точности и когда сложную информацию можно разложить на простые геометрические элементы. Таким образом, это предпочтительная модель для таких областей, как инженерия, архитектура, геодезия, 3D-рендеринг и типографика, но она совершенно не подходит для таких приложений, как фотография и дистанционное зондирование, где растр более эффективен. Некоторые области применения, такие как географические информационные системы (ГИС) и графический дизайн, иногда используют как векторную, так и растровую графику, в зависимости от цели. Векторная графика основана на математике аналитической геометрии и не связана с другими математическими значениями термина «вектор». Это может привести к путанице в дисциплинах, где используются оба значения.

Аппаратное обеспечение векторного дисплея

Векторные устройства, такие как векторные ЭЛТ и плоттеры, непосредственно управляют механизмом рисования для создания геометрических фигур. Поскольку векторные дисплеи могут определить линию, работая всего с двумя точками (то есть с координатами каждого конца линии), устройство может уменьшить общий объем обрабатываемых данных, организуя изображение в виде пар точек. Векторные графические дисплеи впервые были использованы в 1958 году в американской системе противовоздушной обороны SAGE. Векторные графические системы были выведены из эксплуатации в США в 1999 году в системах управления воздушным движением. Векторная графика также использовалась на компьютере TX-2 в Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института пионером компьютерной графики Иваном Сазерлендом для запуска своей программы Sketchpad в 1963 году. Последующие векторные графические системы, большинство из которых использовали динамически изменяемые списки инструкций рисования, включают IBM 2250, Imlac PDS 1 и DEC GT40. Существовала игровая консоль Vectrex, использующая векторную графику, а также различные аркадные игры, такие как Asteroids, Space Wars, Tempest и многие игры от Cinematronics, такие как Rip Off и Tail Gunner, использующие векторные мониторы. Дисплеи с накоплением заряда, такие как Tektronix 4014, могли отображать векторные изображения, но не могли изменять их без предварительного стирания изображения. Однако они никогда не получили такого широкого распространения, как растровые сканирующие дисплеи, используемые в телевидении, и к середине 1980-х годов практически исчезли, за исключением специализированных применений. Плоттеры, используемые в техническом черчении, по-прежнему рисуют векторы непосредственно на бумаге, перемещая перо в двухмерном пространстве бумаги. Однако, как и в случае с мониторами, они в значительной степени были заменены широкоформатными принтерами, которые печатают растровое изображение (которое может быть сгенерировано из векторных данных).

Программное обеспечение

Поскольку эта модель полезна в самых разных областях, было создано множество программ для рисования, обработки и визуализации векторной графики. Хотя все они основаны на одной и той же базовой векторной модели данных, они могут по-разному интерпретировать и структурировать фигуры, используя различные форматы файлов. Графический дизайн и иллюстрация, выполняемые в редакторах векторной графики или программах для создания графики, таких как Adobe Illustrator. Подробнее о возможностях различных редакторов векторной графики – в разделе «Сравнение редакторов векторной графики». Геоинформационные системы (ГИС), которые могут представлять географический объект комбинацией векторной формы и набора атрибутов. ГИС включают в себя функции редактирования, картографирования и векторного пространственного анализа. Системы автоматизированного проектирования (САПР), используемые в инженерии, архитектуре и геодезии. Модели информационного моделирования зданий (BIM) добавляют атрибуты к каждой фигуре, аналогично ГИС. Программное обеспечение для 3D-компьютерной графики, включая компьютерную анимацию.

Форматы файлов

Векторная графика обычно встречается сегодня в графических файловых форматах SVG, WMF, EPS, PDF, CDR или AI и принципиально отличается от более распространенных растровых графических файловых форматов, таких как JPEG, PNG, APNG, GIF, WebP, BMP и MPEG4. Стандарт Всемирного консорциума веб-разработки (W3C) для векторной графики – масштабируемая векторная графика (SVG). Стандарт сложен, и его внедрение происходило относительно медленно, по крайней мере частично из-за коммерческих интересов. Многие веб-браузеры теперь поддерживают отображение данных SVG, но полные реализации стандарта все еще относительно редки. В последние годы SVG стал важным форматом, полностью независимым от разрешения рендерингового устройства, обычно принтера или дисплея. SVG-файлы по сути представляют собой текстовое описание, содержащее информацию о прямых и кривых линиях, а также других атрибутах. Википедия предпочитает SVG для изображений, таких как простые карты, линейные иллюстрации, гербы и флаги, которые обычно не являются фотографиями или изображениями с плавными переходами тонов. Для рендеринга SVG требуется преобразование в растровый формат с разрешением, подходящим для конкретной задачи. SVG также используется для создания анимированной графики. Существует также версия SVG для мобильных телефонов, в частности, специальный формат для мобильных телефонов называется SVGT (SVG Tiny version). Эти изображения могут содержать ссылки и использовать сглаживание. Их также можно использовать в качестве обоев. Программное обеспечение CAD использует собственные форматы векторных данных, как правило, проприетарные форматы, разработанные поставщиками программного обеспечения, такие как DWG от Autodesk, и общедоступные форматы обмена, такие как DXF. За свою историю для ГИС-данных было создано сотни различных векторных форматов файлов, включая проприетарные форматы, такие как файловая геобаза данных Esri, проприетарные, но общедоступные форматы, такие как Shapefile и оригинальный KML, форматы с открытым исходным кодом, такие как GeoJSON, и форматы, разработанные организациями по стандартизации, такие как Simple Features и GML от Open Geospatial Consortium.

Растрировать

Современные дисплеи и принтеры – растровые устройства; векторные форматы необходимо преобразовать в растровый формат (растровые изображения – массивы пикселей), прежде чем их можно будет отобразить (на экране или распечатать). Размер растрового файла, полученного в результате преобразования, будет зависеть от требуемого разрешения, но размер исходного векторного файла останется неизменным. Таким образом, легко преобразовать векторный файл в различные растровые форматы, но выполнить обратное преобразование гораздо сложнее, особенно если требуется последующее редактирование векторного изображения. Может быть полезно сохранить изображение, созданное из векторного исходника, в растровом формате, поскольку различные системы используют разные (и несовместимые) векторные форматы, а некоторые вообще не поддерживают векторную графику. Однако после преобразования из векторного формата файл, скорее всего, станет больше и потеряет преимущество масштабируемости без потери качества. Кроме того, станет невозможно редактировать отдельные части изображения как независимые объекты. Размер векторного изображения зависит от количества графических элементов, которые оно содержит; это, по сути, список описаний.

Печать

Векторная графика идеально подходит для печати, поскольку она создается из серии математических кривых; она будет печататься очень четко, даже при изменении размера. Например, можно напечатать векторный логотип на небольшом листе бумаги для копирования, а затем увеличить тот же логотип до размера билборда, сохранив при этом такое же четкое качество. Растровая графика с низким разрешением будет сильно размываться или пикселизироваться при увеличении с размера визитной карточки до размера билборда. (Точное разрешение растровой графики, необходимое для получения высококачественного результата, зависит от расстояния просмотра; например, билборд может по-прежнему выглядеть качественным даже при низком разрешении, если расстояние просмотра достаточно велико.) Если рассматривать типографские символы как изображения, то те же принципы, которые применяются к графике, относятся и к составу печатного текста (набору). Старые наборы символов хранились в виде растровых изображений. Следовательно, для достижения максимального качества печати их можно было использовать только при определенном разрешении; такие форматы шрифтов считаются не масштабируемыми. Современная высококачественная типография основана на векторных изображениях символов (шрифтах), которые, следовательно, масштабируются до любого размера. Примеры таких векторных форматов для символов – шрифты PostScript и TrueType.

Векторные операции

Редакторы векторной графики обычно позволяют выполнять перемещение, вращение, отражение, масштабирование, наклон, аффинные преобразования, изменять порядок слоев (то есть, что находится на переднем плане, а что на заднем) и объединять простые элементы в более сложные объекты. Векторная графика идеально подходит для простых или составных изображений, которые должны быть независимыми от устройства или не требовать фотореалистичности. Например, языки описания страниц PostScript и PDF используют векторную графическую модель.