Gráficos vectoriales

Ejemplo de comparación de gráficos vectoriales y gráficos de raster sobre la magnificación

Los gráficos vectoriales son una forma de gráficos por computadora en los 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 de vectores, 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, y cada uno tiene ventajas y desventajas en situaciones específicas.

Si bien el hardware de vectores ha desaparecido en gran medida en favor de los monitores e impresoras basados en tramas, los datos y el software de vectores siguen siendo ampliamente utilizados, especialmente cuando se requiere un alto grado de precisión geométrica y cuando la información compleja se puede descomponer en formas geométricas simples. primitivos. Por lo tanto, es el modelo preferido para dominios como la ingeniería, la arquitectura, la agrimensura, la representación 3D y la tipografía, pero es completamente inapropiado para aplicaciones como la fotografía y la teledetección, donde la trama es más eficaz y eficiente. Algunos dominios de aplicación, como los sistemas de información geográfica (SIG) y el diseño gráfico, utilizan gráficos vectoriales y de trama en ocasiones, según el propósito.

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

Modelo de datos

El modelo de datos lógicos de los gráficos vectoriales se basa en las matemáticas de la geometría de coordenadas, en la que las formas se definen como un conjunto de puntos en un sistema de coordenadas cartesianas de dos o tres dimensiones, como p = (x, y) o p = (x, y, z). Debido a 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 usando una muestra finita de puntos salientes llamados vértices. Por ejemplo, un cuadrado puede definirse sin ambigüedades por las ubicaciones de tres de sus cuatro esquinas, a partir de las cuales el software puede interpolar las líneas límite de conexión y el espacio interior. Debido a que es 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 finales, permitiendo una simple interpolación lineal de la línea interveniente.
• 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, definida por su límite, un poliline con vértices coincidentes y finales.

Se puede admitir una variedad de formas más complejas:

• Curvas paramétricas, en las que se aumentan polilíneas o polígonos con parámetros para definir una interpolación no lineal entre vértices, incluyendo arcos circulares, líneas cúbicas, líneas de Catmull-Rom, curvas de Bézier y bezigones.
• Formas paramétricas estándar en dos o tres dimensiones, como círculos, elipses, cuadrados, superellipses, esferas, tetraedros, superellipsoids, etc.
• Superficies y sólidos irregulares tridimensionales, generalmente definidos como un conjunto conectado de polígonos (por ejemplo, una malla poligonal) o como superficies paramétricas (por ejemplo, NURBS).
• Fractals, a menudo definido como un sistema de función iterado.

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 línea o el patrón de guiones. En los sistemas en los que las formas representan características del mundo real, como GIS y BIM, se pueden almacenar una variedad de atributos de cada característica representada, como el nombre, la edad, el tamaño, etc.

En algunos datos vectoriales, especialmente en GIS, la información sobre las relaciones topológicas entre objetos se puede representar en el modelo de datos, como el seguimiento de las conexiones entre segmentos de carreteras en una red de transporte.

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 ser sin pérdidas.

Hardware de visualización de vectores

Un software libre Asteroids-como videojuego jugado en un monitor vector

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 de vectores pueden definir una línea tratando solo con dos puntos (es decir, las coordenadas de cada extremo de la línea), el dispositivo puede reducir la cantidad total de datos con los que debe tratar organizando la imagen en términos de pares de puntos.

Las pantallas de gráficos vectoriales se utilizaron por primera vez en 1958 por el sistema de defensa aérea SAGE de EE. UU. Los sistemas de gráficos vectoriales se retiraron del control de tráfico aéreo en ruta de EE. UU. en 1999. El pionero de los gráficos por computadora Ivan Sutherland también utilizó gráficos vectoriales en el TX-2 en el Laboratorio Lincoln del MIT para ejecutar su programa Sketchpad en 1963.

Los sistemas de gráficos vectoriales subsiguientes, la mayoría de los cuales se iteraron a través de listas almacenadas dinámicamente modificables de instrucciones de dibujo, incluyen IBM 2250, Imlac PDS-1 y DEC GT40. Había una consola de videojuegos que usaba gráficos vectoriales llamada Vectrex, así como varios juegos de arcade como Asteroids, Space Wars, Tempest y muchos títulos de cinematrónica como Rip Off y Tail Gunner utilizando monitores vectoriales. Las pantallas de alcance de almacenamiento, como Tektronix 4014, podrían mostrar imágenes vectoriales pero no modificarlas sin borrar primero la pantalla. Sin embargo, estos nunca se usaron tan ampliamente como las pantallas de escaneo basadas en tramas que se usan para la televisión y habían desaparecido en gran medida a mediados de la década de 1980, excepto para aplicaciones especializadas.

Los trazadores que se utilizan en el dibujo técnico todavía dibujan vectores directamente en el papel moviendo un bolígrafo según las indicaciones a través del espacio bidimensional del papel. Sin embargo, al igual que con los monitores, estos han sido reemplazados en gran medida por la impresora de formato ancho que imprime una imagen de trama (que puede generarse a partir de datos vectoriales).

Software

Debido a que este modelo es útil en una variedad de dominios de aplicación, se han creado muchos programas de software diferentes para dibujar, manipular y visualizar gráficos vectoriales. Si bien todos se basan en el mismo modelo básico de datos vectoriales, pueden interpretar y estructurar formas de manera muy diferente, utilizando formatos de archivo muy diferentes.

• Diseño gráfico e ilustración, utilizando un editor gráfico vectorial o software de arte gráfico como Adobe Illustrator. Ver Comparación de editores gráficos vectoriales para capacidades.
• Sistemas de información geográfica (SIG), que pueden representar una característica geográfica mediante una combinación de forma vectorial y un conjunto de atributos. GIS incluye capacidades de edición, cartografía y análisis espacial vectorial.
• Diseño asistido por computadora (CAD), utilizado en ingeniería, arquitectura y encuesta. Los modelos de modelado de información de construcción (BIM) añaden atributos a cada forma, similar a un SIG.
• Software de gráficos de ordenador 3D, incluyendo animación de computadora.

Formatos de archivo

Esta imagen basada en vectores (formato SVG) de un swirl redondo de cuatro colores muestra varias características únicas de gráficos vectoriales versus gráficos de raster: no hay alias a lo largo del borde redondeado (que resultaría en artefactos digitales en un gráfico de raster), los gradientes de color son todos suaves, y el usuario puede redimensionar la imagen infinita sin perder ninguna calidad.

Los gráficos vectoriales se encuentran comúnmente hoy en día en los formatos de archivo de gráficos SVG, WMF, EPS, PDF, CDR o AI, y son intrínsecamente diferentes de los formatos de archivo de gráficos de trama 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). El estándar es complejo y su establecimiento ha sido relativamente lento, al menos en parte debido a intereses comerciales. Muchos navegadores web ahora tienen cierto soporte para renderizar datos SVG, pero las implementaciones completas del estándar aún son comparativamente raras.

En los últimos años, SVG se ha convertido en un formato importante que es completamente independiente de la resolución del dispositivo de representación, normalmente una impresora o un monitor de pantalla. Los archivos SVG son esencialmente texto imprimible que describe rutas rectas y curvas, así como otros atributos. Wikipedia prefiere SVG para imágenes como mapas simples, ilustraciones de líneas, escudos de armas y banderas, que generalmente no son como fotografías u otras imágenes de tonos continuos. La representación de SVG requiere la conversión a un formato de trama con una resolución adecuada para la tarea actual. SVG es también un formato para gráficos animados.

También hay una versión de SVG para teléfonos móviles. En concreto, el formato específico para teléfonos móviles se denomina SVGT (SVG Tiny version). Estas imágenes pueden contar enlaces y también aprovechar el suavizado. También se pueden mostrar como fondo de pantalla.

El software CAD utiliza sus propios formatos de datos vectoriales, normalmente formatos patentados creados por los 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 archivos vectoriales distintos para datos GIS, incluidos formatos patentados 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 estándares como Simple Features y GML del Open Geospatial Consortium.

Conversión

La lista de formatos de archivo de imagen cubre formatos de vectores públicos y propietarios.

Foto de referencia original antes de la vectorización

Detalle puede ser añadido o eliminado del arte vectorial.

A ráster

Las pantallas e impresoras modernas son dispositivos de trama; los formatos vectoriales deben convertirse a un formato rasterizado (mapas de bits, conjuntos de píxeles) antes de poder renderizarlos (mostrarlos o imprimirlos). El tamaño del archivo de mapa de bits/formato ráster generado por la conversión dependerá de la resolución requerida, pero el tamaño del archivo vectorial que genera el archivo de mapa de bits/ráster siempre será el mismo. Por lo tanto, es fácil convertir un archivo vectorial a una gama de formatos de archivo de mapa de bits/ráster, pero es mucho más difícil ir en la dirección opuesta, especialmente si se requiere la edición posterior de la imagen vectorial. Puede ser una ventaja guardar una imagen creada a partir de un archivo fuente vectorial como un formato de mapa de bits/ráster, ya que los diferentes sistemas tienen formatos vectoriales diferentes (e incompatibles), y es posible que algunos no admitan 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 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

Impresión

El arte vectorial es ideal para imprimir ya que el arte está hecho de una serie de curvas matemáticas; se imprimirá de forma muy nítida incluso cuando se cambie el tamaño. Por ejemplo, se puede imprimir un logotipo vectorial en una pequeña hoja de papel de copia y luego ampliar el mismo logotipo vectorial al tamaño de una cartelera y mantener la misma calidad nítida. Un gráfico de trama de baja resolución se vería borroso o pixelado en exceso si se ampliara del tamaño de una tarjeta de presentación al tamaño de una cartelera. (La resolución precisa de un gráfico de trama necesario para obtener resultados de alta calidad depende de la distancia de visualización; por ejemplo, una valla publicitaria puede parecer de alta calidad incluso a baja resolución si la distancia de visualización es lo suficientemente grande).

Si consideramos los caracteres tipográficos como imágenes, entonces las mismas consideraciones que hemos hecho para los gráficos se aplican incluso a la composición de texto escrito para impresión (composición tipográfica). Los conjuntos de caracteres más antiguos se almacenaban como mapas de bits. Por lo tanto, para lograr la máxima calidad de impresión, debían usarse solo a una resolución determinada; se dice que estos formatos de fuente no son escalables. La tipografía de alta calidad se basa hoy en día en dibujos de caracteres (fuentes) que normalmente se almacenan como gráficos vectoriales y, como tales, son escalables a cualquier tamaño. Ejemplos de estos formatos vectoriales para caracteres son las fuentes Postscript y las fuentes TrueType.

Operación

Ventajas de este estilo de dibujo sobre gráficos rasterizados:

• Debido a que los gráficos vectoriales consisten en coordenadas con líneas / curvas entre ellos, el tamaño de la representación no depende de las dimensiones del objeto. Esta cantidad mínima de información se traduce en un tamaño de archivo mucho menor en comparación con las imágenes de gran raster que se definen pixel por pixel. Esto dijo, un gráfico vectorial con un pequeño tamaño de archivo se dice a menudo a falta de detalles en comparación con una foto del mundo real.
• Correspondientemente, uno puede zoom infinitamente en, por ejemplo, un arco círculo, y sigue siendo suave. Por otro lado, un polígono que representa una curva revelará que no es realmente curvo.
• Al acercarse, las líneas y las curvas no necesitan ampliarse proporcionalmente. A menudo el ancho no se aumenta o menos que proporcional. Por otro lado, las curvas irregulares representadas por formas geométricas simples pueden ser proporcionalmente más amplias al acercarse, para mantenerlas luciendo suaves y no como estas formas geométricas.
• Los parámetros de los objetos se almacenan y pueden ser modificados posteriormente. Esto significa que mover, escalar, girar, rellenar, etc. no degrada la calidad de un dibujo. Además, es habitual especificar las dimensiones en unidades dependientes de dispositivos, lo que resulta en la mejor rasterización posible en dispositivos de rasterización.
• Desde una perspectiva 3-D, las sombras de renderización también son mucho más realistas con los gráficos vectoriales, ya que las sombras pueden ser abstraídas en los rayos de luz de los cuales se forman. Esto permite imágenes fotorrealistas y renderizaciones.

Por ejemplo, considere un círculo de radio r. Las principales piezas de información que necesita un programa para dibujar este círculo son

1. una indicación de que lo que se debe dibujar es un círculo
2. el radio r
3. la ubicación del punto central del círculo
4. línea de trazo y color (posiblemente transparente)
5. relleno estilo y color (posiblemente transparente)

Los formatos vectoriales no siempre son apropiados en trabajos gráficos y también tienen numerosas desventajas. Por ejemplo, dispositivos como cámaras y escáneres producen esencialmente gráficos de trama de tonos continuos que no son prácticos para convertir en vectores, por lo que para este tipo de trabajo, un editor de imágenes operará en los píxeles en lugar de dibujar objetos definidos por expresiones matemáticas. Las herramientas gráficas integrales combinarán imágenes de fuentes vectoriales y rasterizadas, y pueden proporcionar herramientas de edición para ambas, ya que algunas partes de una imagen podrían provenir de una fuente de cámara y otras podrían haberse dibujado con herramientas vectoriales.

Algunos autores han criticado el término gráficos vectoriales por ser confuso. En particular, gráficos vectoriales no se refiere simplemente a gráficos descritos por vectores euclidianos. Algunos autores han propuesto utilizar gráficos orientados a objetos en su lugar. Sin embargo, este término también puede resultar confuso, ya que puede interpretarse como cualquier tipo de gráfico implementado mediante programación orientada a objetos.

Operaciones vectoriales

Los editores de gráficos vectoriales suelen permitir la traducción, la rotación, la duplicación, el estiramiento, el sesgo, las transformaciones afines, el cambio del orden z (en general, qué hay delante de qué) y la combinación de elementos primitivos en objetos más complejos. Las transformaciones más sofisticadas incluyen operaciones de conjuntos en formas cerradas (unión, diferencia, intersección, etc.). En SVG, las operaciones de composición se basan en la composición alfa.

Los gráficos vectoriales son ideales para dibujos simples o compuestos que deben ser independientes del dispositivo o que no necesitan lograr el realismo fotográfico. Por ejemplo, los lenguajes de descripción de páginas PostScript y PDF utilizan un modelo de gráficos vectoriales.