Elemente de grafică pe calculator

Noțiuni despre reprezentarea și prelucrarea imaginilor digitale și grafica 2D/3D.

Imagini raster și imagini vectoriale

Există două moduri fundamental diferite de a reprezenta o imagine în calculator, iar toată discuția despre calitate, dimensiune și formate pornește de aici.

Imaginea raster (bitmap) este o matrice de pixeli: fiecare punct are o culoare memorată explicit. Ce se cere reținut:

• rezoluția imaginii = numărul de pixeli pe orizontală și verticală (de exemplu 1920×1080);
• adâncimea de culoare (bit depth) = numărul de biți folosiți pentru culoarea unui pixel: 1 bit → 2 culori, 8 biți → 256 de culori, 24 de biți → 16.777.216 de culori (True Color), iar 32 de biți adaugă canalul de transparență alfa;
• dimensiunea aproximativă necomprimată = lățime × înălțime × adâncime / 8 (în octeți). O imagine 1000×1000 la 24 de biți ocupă circa 3 MB necomprimată — de aici necesitatea compresiei;
• mărirea peste rezoluția reală duce la pixelare, pentru că nu există informație suplimentară de afișat.

Imaginea vectorială nu memorează pixeli, ci descrieri matematice ale formelor: puncte, drepte, curbe Bézier, poligoane, cu atributele lor (culoare de umplere, grosime de contur). Consecințele decurg logic:

• scalabilitate perfectă — la orice mărire, formulele se recalculează, deci conturul rămâne net;
• dimensiune mică pentru desene cu puține forme;
• editabilitate — fiecare obiect rămâne independent, se poate muta sau recolora oricând;
• nepotrivite pentru fotografii, unde nuanțele sunt neregulate și n-ar putea fi descrise prin formule.

Regula de alegere, care e și întrebarea tipică: fotografii și imagini cu tonuri continue → raster; logo-uri, sigle, pictograme, hărți, scheme, fonturi → vectorial.

Confuzia cea mai frecventă: „am salvat logo-ul ca PNG la rezoluție mare, deci e vectorial”. Nu — rezoluția mare doar amână pixelarea, natura imaginii rămâne raster. Rasterizarea (vector → raster) se poate face oricând; drumul invers, vectorizarea, este o aproximare și pierde detalii.

Sisteme de coordonate și transformări geometrice

Orice obiect grafic e definit prin coordonate într-un sistem de referință. În matematică originea e jos-stânga și axa Oy crește în sus; în grafica pe calculator, în schimb, originea (0,0) este în colțul stânga-sus, iar axa Oy crește în jos. Este cea mai comună sursă de erori la primele programe grafice: imaginea apare răsturnată sau în afara ecranului.

Se disting coordonatele obiectului (interne, ale modelului), coordonatele lumii (scena întreagă) și coordonatele dispozitivului (pixelii ferestrei). Trecerea de la o fereastră a lumii (window) la zona de afișare (viewport) se numește transformare de vizualizare.

Transformările geometrice de bază în 2D:

• Translația – deplasare cu (tx, ty): x' = x + tx, y' = y + ty. Schimbă poziția, nu forma.
• Scalarea – multiplicare cu factorii (sx, sy): x' = x · sx, y' = y · sy. Dacă sx = sy, scalarea este uniformă și păstrează proporțiile; altfel obiectul se deformează. Factori subunitari micșorează.
• Rotația – în jurul unui punct, cu un unghi θ: x' = x·cos θ − y·sin θ, y' = x·sin θ + y·cos θ (rotație în jurul originii).
• Simetria (oglindirea) – față de o axă sau un punct.
• Forfecarea (shear) – înclinare, ca la literele cursive.

Două observații care se cer înțelese, nu memorate:

• Scalarea și rotația se fac implicit față de origine. Ca să roteșți un obiect în jurul centrului lui, trebuie să faci trei operații: translatezi centrul în origine → aplici rotația → translatezi înapoi. Sărirea peste acest pas explică de ce obiectul „fuge” din locul lui.
• Ordinea transformărilor contează. O translație urmată de o rotație dă alt rezultat decât rotația urmată de translație, pentru că transformările nu sunt comutative.

Pentru a trata unitar toate transformările se folosesc coordonatele omogene: punctul (x, y) se scrie (x, y, 1), iar fiecare transformare devine o matrice 3×3. Avantajul e că translația — care în forma simplă e o adunare, nu o înmulțire — devine și ea o înmulțire de matrice, iar o succesiune de transformări se poate compune într-o singură matrice, aplicată o dată tuturor punctelor.

Reprezentarea culorilor: RGB, CMYK, HSB

Culoarea se reprezintă prin modele de culoare, iar alegerea modelului depinde de destinație: ecran sau hârtie.

RGB (Red, Green, Blue) este un model aditiv: culorile se obțin adunând lumină. Se folosește la tot ce emite lumină — monitoare, telefoane, proiectoare, aparate foto. Fiecare canal ia de obicei valori 0–255 (8 biți), deci 24 de biți dau ~16,7 milioane de culori. Repere de reținut: (0,0,0) = negru (lipsa totală de lumină), (255,255,255) = alb (toate cele trei la maximum), (255,0,0) = roșu pur. În web, culorile se scriu hexazecimal: #FF0000 roșu, #00FF00 verde, #0000FF albastru, #FFFFFF alb, #000000 negru — două cifre hexa pentru fiecare canal.

CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK) este un model substractiv: cernelurile absorb lungimi de undă din lumina albă care cade pe hârtie. Se folosește la tipar. Aici logica se inversează: 0% din toate cernelurile = alb (hârtia curată), iar amestecul lor tinde spre negru. Componenta K (negru) există pentru că amestecul C+M+Y dă în practică un maro-închis murdar, consumă multă cerneală și udă hârtia; negrul separat e mai ieftin și mai precis. Foarte important: gamutul CMYK este mai mic decât cel RGB, deci unele culori foarte saturate văzute pe ecran nu se pot tipări identic — de aceea un afiș tipărit pare uneori mai șters decât fișierul.

HSB / HSV (Hue, Saturation, Brightness/Value) descrie culoarea așa cum o percepe omul: nuanța (H) ca unghi pe cercul cromatic, în grade 0–360 (0 roșu, 120 verde, 240 albastru), saturația (S) ca intensitate a culorii (0% = gri) și luminozitatea (B/V) (0% = negru). Nu e un mod nou de a stoca imaginea, ci un mod mai intuitiv de a o selecta și ajusta — de aceea selectoarele de culoare din aplicațiile grafice îl folosesc. Varianta HSL înlocuiește luminozitatea cu lightness, unde 50% este culoarea pură, iar 100% este alb.

Alte noțiuni utile: scala de gri (grayscale), cu un singur canal, canalul alfa pentru transparență și paleta indexată, unde imaginea stochează indici într-un tabel restrâns de culori (mecanismul din GIF).

Greșeala cea mai des sancționată: a lucra o imagine destinată tiparului în RGB și a o converti la sfârșit, ori a cere unei imprimante o culoare fluorescentă văzută pe ecran.

Compresia și formatele de fișiere grafice

Alegerea formatului se face pe două întrebări: imaginea e raster sau vectorială și compresia admite pierderi sau nu.

Compresia fără pierderi (lossless) păstrează exact toți pixelii; la decomprimare se obține originalul bit cu bit (PNG, GIF, TIFF, BMP necomprimat). Compresia cu pierderi (lossy) elimină informație pe care ochiul o percepe greu; fișierul e mult mai mic, dar pierderea este ireversibilă și se acumulează la fiecare salvare succesivă — de aceea o poză JPEG reeditată de zece ori arată vizibil degradată, cu artefacte în jurul contururilor.

Formatele raster de reținut:

• JPEG (.jpg) – cu pierderi, calitate reglabilă, fără transparență. Ideal pentru fotografii; prost pentru text, sigle sau desene cu contururi nete, unde apar artefacte.
• PNG – fără pierderi, cu canal alfa (transparență). Ideal pentru logo-uri, capturi de ecran, grafice cu text. Fișiere mai mari decât JPEG pe fotografii.
• GIF – fără pierderi, dar limitat la 256 de culori (paletă indexată), cu transparență binară și animație. Nepotrivit pentru fotografii.
• BMP – de regulă necomprimat, fișiere foarte mari; util doar didactic.
• TIFF – calitate profesională, folosit în tipar și arhivare.
• WEBP / AVIF – formate moderne pentru web, cu compresie mai bună decât JPEG și suport pentru transparență și animație.
• RAW – datele brute din senzorul aparatului foto, neprelucrate; maximă flexibilitate la editare, fișiere mari.

Formatele vectoriale: SVG (standard web, bazat pe XML, deci text editabil și indexabil), AI (Adobe Illustrator), CDR (CorelDRAW), EPS și PDF, care poate conține atât elemente vectoriale, cât și raster.

Două precizări cu care se pică: PDF nu este un format pur vectorial — poate încapsula fotografii raster; iar redenumirea extensiei nu convertește formatul: un .jpg redenumit .png rămâne un JPEG, cu tot cu pierderile deja produse. Conversia reală se face prin salvare/export din aplicație.

Aplicații software pentru grafică și noțiuni de grafică 3D

Aplicațiile se împart după tipul de imagine pe care îl produc:

• Editoare raster: Adobe Photoshop, GIMP (liber și gratuit), Krita, Paint.NET. Se folosesc pentru retușul fotografiilor, compoziții și pictură digitală.
• Editoare vectoriale: Adobe Illustrator, CorelDRAW, Inkscape (liber). Se folosesc pentru sigle, ilustrații, machete tipografice.
• Aplicații 3D: Blender (liber), Autodesk 3ds Max, Maya, SketchUp pentru arhitectură.
• Aplicații CAD: AutoCAD, pentru desen tehnic precis.

Conceptul central în editarea modernă este lucrul cu straturi (layers): imaginea se compune din foi suprapuse, fiecare editabilă independent, cu propria opacitate și mod de amestecare. Avantajul e editarea nedistructivă — poți modifica sau șterge un strat fără să afectezi pixelii de dedesubt. Tot aici intră măștile, care ascund selectiv porțiuni fără a le distruge, și selecțiile (dreptunghiulară, lasso, baghetă magică).

În grafica 3D, fluxul de lucru clasic are patru etape:

1. Modelarea – construirea geometriei ca plasă de poligoane (mesh) din vârfuri, muchii și fețe; 2. Texturarea – aplicarea imaginilor pe suprafețe și definirea materialelor (reflexie, rugozitate, transparență); 3. Iluminarea și poziționarea camerei – tipurile de surse și unghiul de vizualizare; 4. Randarea (rendering) – calculul imaginii 2D finale pornind de la scena 3D; e etapa cea mai costisitoare ca timp de calcul.

Două tehnici de randare merită distinse: rasterizarea, rapidă, folosită în jocuri pentru timp real, și ray tracing (trasarea razelor), care simulează traseul razelor de lumină și dă reflexii și umbre realiste, cu preț de calcul mult mai mare. Procesorul grafic (GPU) este specializat exact pentru acest tip de calcule masiv paralele.

Un ultim reper de vocabular, cerut frecvent: animația înseamnă succesiune de cadre (frames), iar fluiditatea se măsoară în cadre pe secundă (fps) — 24 fps la film, 30–60 fps și peste în jocuri.

Test — 6 întrebări ca la examen