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 механизмы могут включать в себя векторные устройства отображения и печати , векторные модели данных и форматы файлов, а также программное обеспечение, основанное на этих моделях данных (особенно программное обеспечение для графического дизайна , автоматизированного проектирования и географических информационных систем ). Векторная графика является альтернативой растровой или битовой графике, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки в определенных ситуациях. [1]
В то время как векторное оборудование в значительной степени исчезло в пользу растровых мониторов и принтеров, [2] векторные данные и программное обеспечение продолжают широко использоваться, особенно когда требуется высокая степень геометрической точности и когда сложная информация может быть разложена на простые геометрические примитивы. Таким образом, это предпочтительная модель для таких областей, как проектирование , архитектура , геодезия , 3D-рендеринг и типографика , но совершенно не подходит [ требуется ссылка ] для таких приложений, как фотография и дистанционное зондирование , где растр более эффективен и продуктивен. Некоторые области приложений, 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 или координатной геометрии и не связана с другими математическими применениями термина вектор . Это может привести к некоторой путанице в дисциплинах, в которых используются оба значения.
Логическая модель данных векторной графики основана на математике координатной геометрии , в которой формы определяются как набор точек в двух- или трехмерной декартовой системе координат , как p = ( x, y ) или p = ( x, y, z ). Поскольку почти все формы состоят из бесконечного числа точек, векторная модель определяет ограниченный набор геометрических примитивов , которые могут быть указаны с помощью конечной выборки выступающих точек, называемых вершинами . Например, квадрат может быть однозначно определен местоположениями трех из четырех его углов, из которых программное обеспечение может интерполировать соединительные граничные линии и внутреннее пространство. Поскольку это правильная форма, квадрат также может быть определен местоположением одного угла, размером (ширина=высота) и углом поворота.
Основными геометрическими примитивами являются:
Могут поддерживаться различные более сложные формы:
Во многих векторных наборах данных каждая форма может быть объединена с набором свойств. Наиболее распространенными являются визуальные характеристики, такие как цвет, толщина линии или штриховой рисунок. В системах, в которых формы представляют реальные объекты, таких как ГИС и BIM, могут храниться различные атрибуты каждого представленного объекта, такие как имя, возраст, размер и т. д. [3]
В некоторых векторных данных, особенно в ГИС, информация о топологических связях между объектами может быть представлена в модели данных, например, отслеживание связей между сегментами дорог в транспортной сети . [4]
Если набор данных, хранящийся в одном векторном формате файла, преобразуется в другой формат файла, который поддерживает все примитивные объекты, используемые в этом конкретном изображении, то преобразование может быть выполнено без потерь.
.jpg/1280px-Space_Rocks_(game).jpg)
Векторные устройства, такие как векторная ЭЛТ и перьевой плоттер , напрямую управляют механизмом рисования для создания геометрических фигур. Поскольку векторные устройства отображения могут определять линию, имея дело всего с двумя точками (то есть координатами каждого конца линии), устройство может уменьшить общий объем данных, с которыми оно должно иметь дело, организуя изображение в виде пар точек. [5]
Векторные графические дисплеи были впервые использованы в 1958 году системой противовоздушной обороны США SAGE . [6] Векторные графические системы были сняты с вооружения американской системы управления воздушным движением на маршрутах в 1999 году. [ требуется ссылка ] Векторная графика также использовалась на TX-2 в Массачусетском технологическом институте в Линкольнской лаборатории пионером компьютерной графики Иваном Сазерлендом для запуска его программы Sketchpad в 1963 году. [7]
Последующие векторные графические системы, большинство из которых итерировались через динамически модифицируемые сохраненные списки инструкций по рисованию, включают IBM 2250 , Imlac PDS-1 и DEC GT40 . Была игровая видеоконсоль, которая использовала векторную графику под названием Vectrex , а также различные аркадные игры, такие как Asteroids , Space Wars , Tempest и многие названия cinematronics , такие как Rip Off , и Tail Gunner , использующие векторные мониторы . [8] Дисплеи области хранения данных, такие как Tektronix 4014 , могли отображать векторные изображения, но не изменять их без предварительного стирания дисплея. Однако они никогда не использовались так широко, как растровые сканирующие дисплеи, используемые для телевидения, и в значительной степени исчезли к середине 1980-х годов, за исключением специализированных приложений.
Плоттеры, используемые в техническом черчении, по-прежнему рисуют векторы непосредственно на бумаге, перемещая ручку по направлению через двумерное пространство бумаги. Однако, как и в случае с мониторами, они в значительной степени были заменены широкоформатным принтером , который печатает растровое изображение (которое может быть получено из векторных данных).
Поскольку эта модель полезна в различных прикладных областях, было создано много различных программ для рисования, обработки и визуализации векторной графики. Хотя все они основаны на одной и той же базовой модели векторных данных, они могут интерпретировать и структурировать формы совершенно по-разному, используя совершенно разные форматы файлов.
Векторная графика сегодня обычно встречается в форматах графических файлов SVG , WMF , EPS , PDF , CDR или AI и по своей сути отличается от более распространенных форматов файлов растровой графики, таких как JPEG , PNG , APNG , GIF , WebP , BMP и MPEG4 .
Стандартом векторной графики Консорциума Всемирной паутины (W3C) является масштабируемая векторная графика (SVG). Стандарт сложен и был относительно медленно установлен, по крайней мере, отчасти из-за коммерческих интересов. Многие веб-браузеры теперь имеют некоторую поддержку для рендеринга данных SVG, но полные реализации стандарта все еще сравнительно редки.
В последние годы SVG стал значимым форматом, который полностью независим от разрешения устройства рендеринга, обычно принтера или монитора. Файлы SVG по сути представляют собой печатный текст, описывающий как прямые, так и изогнутые пути, а также другие атрибуты. Википедия предпочитает SVG для таких изображений, как простые карты, линейные иллюстрации, гербы и флаги, которые обычно не похожи на фотографии или другие изображения с непрерывным тоном. [ необходима цитата ] Рендеринг SVG требует преобразования в растровый формат с разрешением, подходящим для текущей задачи. SVG также является форматом для анимированной графики.
Также существует версия SVG для мобильных телефонов. В частности, специальный формат для мобильных телефонов называется SVGT (SVG Tiny version). Эти изображения могут подсчитывать ссылки, а также использовать сглаживание. Их также можно отображать в качестве обоев.
Программное обеспечение САПР использует собственные векторные форматы данных, обычно фирменные форматы, созданные поставщиками программного обеспечения, такие как DWG от Autodesk и общедоступные форматы обмена, такие как DXF . За всю историю были созданы сотни различных векторных форматов файлов для данных ГИС, включая фирменные форматы, такие как файловая геобаза данных Esri, фирменные, но общедоступные форматы, такие как Shapefile и оригинальный KML , форматы с открытым исходным кодом, такие как GeoJSON , и форматы, созданные органами стандартизации, такие как Simple Features и GML из Open Geospatial Consortium .
Современные дисплеи и принтеры являются растровыми устройствами; векторные форматы должны быть преобразованы в растровый формат (битовые карты – массивы пикселей) перед тем, как их можно будет визуализировать (отобразить или напечатать). [10] Размер файла битового/растрового формата, генерируемого преобразованием, будет зависеть от требуемого разрешения, но размер векторного файла, генерирующего битовый/растровый файл, всегда останется прежним. Таким образом, легко преобразовать векторный файл в ряд форматов битовых/растровых файлов , но гораздо сложнее пойти в обратном направлении, особенно если требуется последующее редактирование векторного изображения. Может быть преимуществом сохранение изображения, созданного из исходного векторного файла, в битовом/растровом формате, поскольку разные системы имеют разные (и несовместимые) векторные форматы, а некоторые могут вообще не поддерживать векторную графику. Однако после преобразования файла из векторного формата он, скорее всего, станет больше и потеряет преимущество масштабируемости без потери разрешения. Также больше не будет возможности редактировать отдельные части изображения как дискретные объекты. Размер файла векторного графического изображения зависит от количества содержащихся в нем графических элементов; он представляет собой список описаний.
Векторная графика идеальна для печати, поскольку она состоит из серии математических кривых; она будет печататься очень четко даже при изменении размера. [11] Например, можно напечатать векторный логотип на небольшом листе копировальной бумаги, а затем увеличить тот же векторный логотип до размера рекламного щита и сохранить то же четкое качество. Растровая графика с низким разрешением будет чрезмерно размыта или пикселизирована, если ее увеличить с размера визитной карточки до размера рекламного щита. (Точное разрешение растровой графики, необходимое для высококачественных результатов, зависит от расстояния просмотра; например, рекламный щит может по-прежнему выглядеть высококачественным даже при низком разрешении, если расстояние просмотра достаточно велико.) [12]
Если мы рассматриваем типографские символы как изображения, то те же соображения, которые мы сделали для графики, применимы даже к составлению письменного текста для печати ( набору ). Старые наборы символов хранились как растровые изображения. Поэтому для достижения максимального качества печати их приходилось использовать только при заданном разрешении; эти форматы шрифтов считаются немасштабируемыми. Высококачественная типографика в настоящее время основана на рисунках символов ( шрифтах ), которые обычно хранятся как векторная графика и, как таковые, масштабируются до любого размера. Примерами этих векторных форматов для символов являются шрифты Postscript и шрифты TrueType .
Преимущества этого стиля рисования перед растровой графикой :
Например, рассмотрим круг радиусом r . [14] Основные данные, необходимые программе для рисования этого круга, следующие :
Векторные форматы не всегда подходят для графической работы и также имеют многочисленные недостатки. [15] Например, такие устройства, как камеры и сканеры, производят по существу непрерывную тоновую растровую графику , которую непрактично преобразовывать в векторы, и поэтому для этого типа работы редактор изображений будет работать с пикселями, а не с объектами рисования, определенными математическими выражениями. Комплексные графические инструменты будут объединять изображения из векторных и растровых источников и могут предоставлять инструменты редактирования для обоих, поскольку некоторые части изображения могут поступать из источника камеры, а другие могут быть нарисованы с помощью векторных инструментов.
Некоторые авторы критиковали термин векторная графика как сбивающий с толку. [16] [17] В частности, векторная графика не просто относится к графике, описываемой евклидовыми векторами . [18] Некоторые авторы предложили вместо этого использовать объектно-ориентированную графику . [16] [19] [20] Однако этот термин также может сбивать с толку, поскольку его можно интерпретировать как любой вид графики, реализованный с использованием объектно-ориентированного программирования . [16]
Векторные графические редакторы обычно позволяют выполнять трансляцию, вращение, зеркальное отображение, растяжение, наклон, аффинные преобразования , изменение z-порядка (грубо говоря, что находится перед чем) и объединение примитивов в более сложные объекты. [16] Более сложные преобразования включают в себя операции над множествами на замкнутых фигурах ( объединение , разность , пересечение и т. д.). [21] В SVG операции композиции основаны на альфа-композиции . [22]
Векторная графика идеально подходит для простых или составных рисунков, которые должны быть независимыми от устройства, [23] или не должны достигать фотореализма . Например, языки описания страниц PostScript и PDF используют модель векторной графики.
Многие сайты со стоковыми фотографиями предлагают векторные версии размещенных изображений, в то время как определенные репозитории специализируются на векторных изображениях, учитывая их растущую популярность среди графических дизайнеров. [24]
Медиафайлы по теме Векторная графика на Wikimedia Commons