Gráficos vectoriales

Los gráficos vectoriales son una forma de gráficos por computadora en la que las imágenes visuales se crean directamente a partir de formas geométricas definidas en un plano cartesiano , como puntos , líneas , curvas y polígonos . Los mecanismos asociados pueden incluir hardware de visualización e impresión vectorial , modelos de datos vectoriales y formatos de archivo, así como el software basado en estos modelos de datos (especialmente software de diseño gráfico , diseño asistido por computadora y sistemas de información geográfica ). Los gráficos vectoriales son una alternativa a los gráficos rasterizados o de mapa de bits, cada uno con ventajas y desventajas en situaciones específicas. ^{[ 1 ]}

Aunque el hardware vectorial ha desaparecido en gran medida en favor de monitores e impresoras basados ​​en ráster, ^{[ 2 ]} los datos y el software vectoriales siguen utilizándose ampliamente, especialmente cuando se requiere un alto grado de precisión geométrica y cuando la información compleja puede descomponerse en primitivas geométricas simples. Por lo tanto, es el modelo preferido para dominios como la ingeniería , la arquitectura , la topografía , la renderización 3D y la tipografía , pero es totalmente inapropiado ^{[ 3 ]} para aplicaciones como la fotografía y la teledetección , donde el ráster es más efectivo y eficiente. Algunos dominios de aplicación, como los sistemas de información geográfica (SIG) y el diseño gráfico , utilizan gráficos vectoriales y ráster en ocasiones, según el propósito.

Los gráficos vectoriales se basan en las matemáticas de la geometría analítica o de coordenadas , y no guardan relación con otros usos matemáticos del término vector . Esto puede generar cierta confusión en disciplinas donde se utilizan ambos significados.

El modelo lógico de datos de los gráficos vectoriales se basa en las matemáticas de la geometría de coordenadas , donde las formas se definen como un conjunto de puntos en un sistema de coordenadas cartesianas bidimensional o tridimensional , como p = ( x, y ) o p = ( x, y, z ). Dado que casi todas las formas constan de un número infinito de puntos, el modelo vectorial define un conjunto limitado de primitivas geométricas que se pueden especificar mediante una muestra finita de puntos prominentes llamados vértices . Por ejemplo, un cuadrado se puede definir inequívocamente por la ubicación de tres de sus cuatro esquinas, a partir de las cuales el software puede interpolar las líneas de contorno que lo conectan y el espacio interior. Al ser una forma regular, un cuadrado también podría definirse por la ubicación de una esquina, un tamaño (ancho = alto) y un ángulo de rotación.

Las primitivas geométricas fundamentales son:

• Un solo punto .
• Un segmento de línea , definido por dos puntos extremos, que permite una interpolación lineal simple de la línea intermedia.
• Una cadena poligonal o polilínea, un conjunto conectado de segmentos de línea, definido por una lista ordenada de puntos.
• Un polígono , que representa una región del espacio, está definido por su límite, una polilínea con vértices iniciales y finales coincidentes.

Se pueden admitir diversas formas más complejas:

• Curvas paramétricas , en las que las polilíneas o polígonos se complementan con parámetros para definir una interpolación no lineal entre vértices, incluyendo arcos circulares , splines cúbicos , splines de Catmull-Rom , curvas de Bézier y bezigones .
• Formas paramétricas estándar en dos o tres dimensiones, como círculos , elipses , cuadrados , superelipses , esferas , tetraedros , superelipsoides , etc.
• Las superficies y sólidos tridimensionales irregulares se definen generalmente como un conjunto conectado de polígonos (por ejemplo, una malla poligonal ) o como superficies paramétricas (por ejemplo, NURBS ).
• Los fractales , a menudo definidos como un sistema de funciones iteradas .

En muchos conjuntos de datos vectoriales, cada forma se puede combinar con un conjunto de propiedades. Las más comunes son las características visuales, como el color, el grosor de la línea o el patrón de guiones. En sistemas donde las formas representan elementos del mundo real, como SIG y BIM, se pueden almacenar diversos atributos de cada elemento representado, como el nombre, la edad, el tamaño, etc. ^{[ 4 ]}

En algunos datos vectoriales, especialmente en SIG, la información sobre las relaciones topológicas entre objetos puede representarse en el modelo de datos, como el seguimiento de las conexiones entre segmentos de carretera en una red de transporte . ^{[ 5 ]}

Si un conjunto de datos almacenado en un formato de archivo vectorial se convierte a otro formato de archivo que admita todos los objetos primitivos utilizados en esa imagen en particular, entonces la conversión puede realizarse sin pérdida de información.

Los dispositivos basados ​​en vectores, como el CRT vectorial y el trazador de pluma , controlan directamente un mecanismo de dibujo para producir formas geométricas. Dado que los dispositivos de visualización vectorial pueden definir una línea con solo dos puntos (es decir, las coordenadas de cada extremo de la línea), el dispositivo puede reducir la cantidad total de datos que debe procesar organizando la imagen en términos de pares de puntos. ^{[ 6 ]}

Las pantallas de gráficos vectoriales se utilizaron por primera vez en 1958 por el sistema de defensa aérea SAGE de EE . UU . ^{[ 7 ]} Los sistemas de gráficos vectoriales se retiraron del control de tráfico aéreo en ruta de EE. UU. en 1999. Los gráficos vectoriales también se utilizaron en el TX-2 del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts por el pionero de los gráficos por computadora Ivan Sutherland para ejecutar su programa Sketchpad en 1963. ^{[ 8 ]}

Los sistemas de gráficos vectoriales posteriores, la mayoría de los cuales iteraban a través de listas almacenadas de instrucciones de dibujo modificables dinámicamente, incluyen el IBM 2250 , Imlac PDS-1 y DEC GT40 . Existía una consola de videojuegos que utilizaba gráficos vectoriales llamada Vectrex , así como varios juegos arcade como Asteroids , Space Wars , Tempest y muchos títulos cinematrónicos como Rip Off y Tail Gunner que utilizaban monitores vectoriales . ^{[ 9 ]} Las pantallas de almacenamiento de imágenes, como la Tektronix 4014 , podían mostrar imágenes vectoriales pero no modificarlas sin antes borrar la pantalla. Sin embargo, estas nunca se utilizaron tan ampliamente como las pantallas de escaneo basadas en trama utilizadas para la televisión, y habían desaparecido en gran medida a mediados de la década de 1980, excepto para aplicaciones especializadas.

Los plotters utilizados en el dibujo técnico aún dibujan vectores directamente sobre el papel moviendo un lápiz según las indicaciones en el espacio bidimensional del papel. Sin embargo, al igual que con los monitores, estos han sido reemplazados en gran medida por las impresoras de gran formato que imprimen imágenes rasterizadas (que pueden generarse a partir de datos vectoriales).

Debido a que este modelo resulta útil en diversos ámbitos de aplicación, se han creado numerosos programas informáticos para dibujar, manipular y visualizar gráficos vectoriales. Si bien todos se basan en el mismo modelo básico de datos vectoriales, pueden interpretar y estructurar las formas de manera muy diferente, utilizando formatos de archivo muy distintos.

• Diseño gráfico e ilustración, utilizando un editor de gráficos vectoriales o un software de diseño gráfico como Adobe Illustrator . Consulte la Comparativa de editores de gráficos vectoriales para conocer sus funcionalidades.
• Los sistemas de información geográfica (SIG) pueden representar una característica geográfica mediante una combinación de una forma vectorial y un conjunto de atributos. ^{[ 10 ]} Los SIG incluyen capacidades de edición vectorial, cartografía y análisis espacial vectorial .
• El diseño asistido por computadora (CAD) se utiliza en ingeniería, arquitectura y topografía. Los modelos de modelado de información para la construcción (BIM) añaden atributos a cada forma, de manera similar a un SIG.
• Software de gráficos 3D por computadora , incluyendo animación por computadora .

Los gráficos vectoriales se encuentran comúnmente hoy en día en formatos de archivo gráfico como SVG , WMF , EPS , PDF , CDR o AI , y son intrínsecamente diferentes de los formatos de archivo de gráficos rasterizados más comunes, como JPEG , PNG , APNG , GIF , WebP , BMP y MPEG4 .

El estándar del Consorcio World Wide Web (W3C) para gráficos vectoriales es Scalable Vector Graphics (SVG). Este estándar es complejo y su consolidación ha sido relativamente lenta, al menos en parte debido a intereses comerciales. Muchos navegadores web ahora ofrecen cierto soporte para la representación de datos SVG, pero las implementaciones completas del estándar aún son relativamente escasas.

En los últimos años, SVG se ha convertido en un formato importante, completamente independiente de la resolución del dispositivo de visualización, generalmente una impresora o un monitor. Los archivos SVG son esencialmente texto imprimible que describe trazados rectos y curvos, así como otros atributos. Wikipedia prefiere SVG para imágenes como mapas sencillos, ilustraciones lineales, escudos de armas y banderas, que generalmente no son como fotografías u otras imágenes de tono continuo. La visualización de SVG requiere la conversión a un formato ráster con la resolución adecuada para la tarea en cuestión. SVG también es un formato para gráficos animados.

También existe una versión de SVG para teléfonos móviles llamada SVGT (SVG Tiny version). Estas imágenes pueden contar enlaces y también aprovechan el suavizado de bordes (anti-aliasing). Además, se pueden usar como fondo de pantalla.

El software CAD utiliza sus propios formatos de datos vectoriales, generalmente formatos propietarios creados por proveedores de software, como DWG de Autodesk , y formatos de intercambio público como DXF . A lo largo de su historia, se han creado cientos de formatos de archivo vectorial distintos para datos SIG, incluidos formatos propietarios como la geodatabase de archivos de Esri , formatos propietarios pero públicos como Shapefile y el KML original , formatos de código abierto como GeoJSON y formatos creados por organismos de estandarización como Simple Features y GML del Open Geospatial Consortium .

Conversión

Para rasterizar

Las pantallas e impresoras modernas son dispositivos de trama ; los formatos vectoriales deben convertirse a un formato de trama (mapas de bits – matrices de píxeles) antes de poder ser renderizados (mostrados o impresos). ^{[ 11 ]} El tamaño del archivo de mapa de bits/trama generado por la conversión dependerá de la resolución requerida, pero el tamaño del archivo vectorial que genera el archivo de mapa de bits/trama siempre permanecerá igual. Por lo tanto, es fácil convertir de un archivo vectorial a una variedad de formatos de archivo de mapa de bits/trama, pero es mucho más difícil ir en la dirección opuesta, especialmente si se requiere la edición posterior de la imagen vectorial. Podría ser ventajoso guardar una imagen creada a partir de un archivo fuente vectorial como un formato de mapa de bits/trama, porque los diferentes sistemas tienen formatos vectoriales diferentes (e incompatibles), y algunos podrían no admitir gráficos vectoriales en absoluto. Sin embargo, una vez que un archivo se convierte del formato vectorial, es probable que sea más grande y pierda la ventaja de la escalabilidad sin pérdida de resolución. Tampoco será posible editar partes individuales de la imagen como objetos discretos. El tamaño de archivo de una imagen gráfica vectorial depende del número de elementos gráficos que contiene; es una lista de descripciones.

Desde ráster

Ventajas de este estilo de dibujo sobre los gráficos rasterizados :

• Dado que los gráficos vectoriales consisten en coordenadas con líneas o curvas entre ellas, el tamaño de la representación no depende de las dimensiones del objeto. Esta mínima cantidad de información se traduce en un tamaño de archivo mucho menor ^{[ 14 ]} en comparación con las imágenes rasterizadas de gran tamaño, que se definen píxel a píxel. Dicho esto, a menudo se dice que un gráfico vectorial con un tamaño de archivo pequeño carece de detalle en comparación con una fotografía del mundo real.
• De igual modo, se puede ampliar infinitamente, por ejemplo, un arco circular, y este seguirá siendo suave. Por otro lado, un polígono que representa una curva revelará que en realidad no es curvo.
• Al hacer zoom, las líneas y curvas no tienen por qué ensancharse proporcionalmente. A menudo, el ancho no aumenta o es menor que la proporción. Por otro lado, las curvas irregulares representadas por formas geométricas simples pueden ensancharse proporcionalmente al hacer zoom, para que se vean suaves y no como tales.
• Los parámetros de los objetos se almacenan y pueden modificarse posteriormente. Esto significa que mover , escalar , rotar , rellenar , etc., no degrada la calidad del dibujo. Además, es habitual especificar las dimensiones en unidades independientes del dispositivo, lo que da como resultado la mejor rasterización posible en dispositivos de impresión ráster .
• Desde una perspectiva 3D, la representación de sombras también es mucho más realista con gráficos vectoriales, ya que las sombras se pueden abstraer en los rayos de luz que las forman. Esto permite obtener imágenes y renderizaciones fotorrealistas .

Por ejemplo, consideremos un círculo de radio r . ^{[ 15 ]} La información principal que un programa necesita para dibujar este círculo es:

1. Una indicación de que lo que se va a dibujar es un círculo.
2. el radio r
3. la ubicación del punto central del círculo
4. Estilo y color del trazo (posiblemente transparente)
5. Estilo y color de relleno (posiblemente transparente)

Los formatos vectoriales no siempre son apropiados en el trabajo gráfico y, además, presentan numerosas desventajas. ^{[ 16 ]} Por ejemplo, dispositivos como cámaras y escáneres producen gráficos rasterizados de tono continuo que resultan poco prácticos para convertir a vectores. Por ello, en este tipo de trabajo, un editor de imágenes opera sobre los píxeles en lugar de sobre objetos de dibujo definidos por expresiones matemáticas. Las herramientas gráficas completas combinan imágenes de fuentes vectoriales y rasterizadas, y pueden ofrecer herramientas de edición para ambas, dado que algunas partes de una imagen pueden provenir de una cámara y otras se han dibujado con herramientas vectoriales.

Algunos autores han criticado el término gráficos vectoriales por ser confuso. ^{[ 17 ] [ 18 ]} En particular, los gráficos vectoriales no se refieren simplemente a gráficos descritos por vectores euclidianos . ^{[ 19 ]} Algunos autores han propuesto utilizar gráficos orientados a objetos en su lugar. ^{[ 17 ] [ 20 ] [ 21 ]} Sin embargo, este término también puede ser confuso, ya que puede interpretarse como cualquier tipo de gráfico implementado mediante programación orientada a objetos . ^{[ 17 ]}

Los editores de gráficos vectoriales suelen permitir traslación, rotación, reflejo, estiramiento, sesgo, transformaciones afines , cambio de orden Z (en términos generales, qué está delante de qué) y combinación de primitivas en objetos más complejos. ^{[ 17 ]} Las transformaciones más sofisticadas incluyen operaciones de conjuntos en formas cerradas ( unión , diferencia , intersección , etc.). ^{[ 22 ]} En SVG, las operaciones de composición se basan en la composición alfa . ^{[ 23 ]}

Los gráficos vectoriales son ideales para dibujos simples o compuestos que necesitan ser independientes del dispositivo, ^{[ 24 ]} o que no necesitan alcanzar el fotorrealismo . Por ejemplo, los lenguajes de descripción de páginas PostScript y PDF utilizan un modelo de gráficos vectoriales.

Muchos sitios web de fotos de archivo proporcionan versiones vectorizadas de las imágenes alojadas, mientras que repositorios específicos se especializan en imágenes vectoriales dada su creciente popularidad entre los diseñadores gráficos. ^{[ 25 ]}

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• Murray, Stephen (2002). "Dispositivos gráficos". En Roger R. Flynn (ed.). Ciencias de la Computación, Vol. 2: Software y Hardware, Macmillan Reference USA . Gale eBooks . Recuperado el 3 de agosto de 2020 .

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