Компьютерная графика. 3

Содержание:

1. Содержание ………………………………………………………………………… 1
2. Введение ……………………………………………………………………………. 2
3. История……………………………………………………………………………… 3
4. Компьютерная графика…………………………………………………………..… 5
1. Основные понятия компьютерной графики………………………………. .…. 6
2. Области применения компьютерной графики………………………………… 8
5. Виды компьютерной графики……………………………………………………. 10
1. Растровая графика ……………………………………………………………. 11
2. Векторная графика…………………………………………………………… .12
3. Фрактальная графика…………………………………………………………. 13
4. Трехмерная графика…………………………………………………...……… 14
6. Заключение……………………………………………………………………...… 15
7. Список использованной литературы………………………………………...….. 16

1

Введение 

      Представление данных на мониторе компьютера в  графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных  систем.

       Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

        В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на  растровую, векторную и фрактальную.

        Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений.

         Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие.

         На стыке компьютерных, телевизионных и кинотехнологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации.

         Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных (Graphics Engine). Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и часто инициализирует очередной этап совершенствования графики и анимации.

         Хотя компьютерная графика служит всего лишь инструментом, ее структура и методы

основаны на передовых достижениях фундаментальных  и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание  справедливо как для программных, так и для аппаратных средств  создания и обработки изображений  на компьютере. Поэтому компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики  и во многих случаях выступает  “локомотивом”, тянущим за собой  всю компьютерную индустрию.

2

История

        История развития компьютерной графики началось уже в 20 веке и продолжается сегодня. Не секрет то, что именно графика способствовала быстрому росту быстродействию компьютеров.

        Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

       1940-1970гг. – время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены математические основы.

        В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры («Космические войны») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.

          В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.

           Особенности: пользователь не  имел доступа к монитору, графика  развивалась на математическом  уровне и выводилась в виде  текста, напоминающего на большом  расстоянии изображение. Графопостроители  появились в конце 60-х годов  и практически были не известны.

          В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

           В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка»[1], который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

         Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

        1971-1985гг. – появились персональные компьютеры, т.е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256).

         Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной графики.

        1986-1990гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа). К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось.

        Особенности: появление диалога пользователя с персональным компьютером; появление анимации и возможности выводить цветное изображение.

3

       1991-2008гг. – появление графики нашего дня Virtual Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4

Компьютерная  графика

        Компьютерная графика - это область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере.

       Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы, в выпуске рекламной листовки или буклета.          Иногда предприятия заказывают такую работу специальным дизайнерским бюро или рекламным агентствам, но часто обходятся собственными силами и доступными программными средствами.

 Без компьютерной  графики не обходится ни одна  современная программа. Работа  над графикой занимает до 90% рабочего  времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения.

        Основные трудозатраты в работе редакций и издательств тоже составляют художественные и оформительские работы с графическими программами.

 Необходимость  широкого использования графических  программных средств стала особенно ощутимой в связи с развитием Интернета и, в первую очередь, благодаря службе World Wide Web, связавшей в единую "паутину" миллионы "домашних страниц". У страницы, оформленной без компьютерной графики мало шансов привлечь к себе массовое внимание.

         Почти с момента создания ЭВМ  появилась и компьютерная графика,  которая сейчас считается неотъемлемой  частью мировой технологии. По началу это была лишь векторная графика - построение изображения с помощью так называемых "векторов" - функций, которые позволяют вычислить положение точки на экране или бумаге. Например, функция, графиком которой является круг, прямая линия или другие более сложные кривые.

         С развитием компьютерной техники  и технологий появилось множество  способов постройки графических  объектов. Но для начала, определимся  с термином "графический объект". Графический объект - это либо  само графическое изображение  или его часть. В зависимости  от видов компьютерной графики  под этим термином понимаются, как и пиксели или спрайты  (в растровой графике), так и  векторные объекты, такие как  круг, квадрат, линия, кривая и  т.д. (в векторной графике). 
 
 
 
 
 
 
 

5

Основные  понятия компьютерной графики

     В  компьютерной графике с понятием  разрешения обычно происходит  больше всего путаницы, поскольку  приходится иметь дело сразу  с несколькими свойствами разных  объектов. Следует четко различать:  разрешение экрана, разрешение печатающего  устройства и разрешение изображения.  Все эти понятия относятся  к разным объектам. Друг с другом  эти виды разрешения никак  не связаны пока не потребуется  узнать, какой физический размер  будет иметь картинка на экране  монитора, отпечаток на бумаге  или файл на жестком диске. 

      Разрешение экрана - это свойство  компьютерной системы (зависит  от монитора и видеокарты) и  операционной системы (зависит  от настроек Windows). Разрешение экрана измеряется в пикселах (точках) и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком.

      Разрешение принтера - это свойство  принтера, выражающее количество  отдельных точек, которые могут  быть напечатаны на участке  единичной длины. Оно измеряется  в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

      Разрешение изображения - это  свойство самого изображения.  Оно тоже измеряется в точках  на дюйм - dpi и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Так, для просмотра изображения на экране достаточно, чтобы оно имело разрешение 72 dpi, а для печати на принтере - не меньше как 300 dpi. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения.

      Физический размер изображения  определяет размер рисунка по  вертикали (высота) и горизонтали  (ширина) может измеряться как  в пикселах, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.    Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселах, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает.    Если изображение готовят для печати, то его размер задают в единицах длины, чтобы знать, какую часть листа бумаги оно займет.

     Физический  размер и разрешение изображения  неразрывно связаны друг с  другом. При изменении разрешения  автоматически меняется физический  размер.

    При  работе с цветом используются  понятия: глубина цвета (его  еще называют цветовое разрешение) и цветовая модель.

     Для  кодирования цвета пиксела изображения может быть выделено разное количество бит. От этого зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно. Чем больше длина двоичного кода цвета, тем больше цветов можно использовать в рисунке. Глубина цвета - это количество бит, которое используют для кодирования цвета одного пиксела. Для кодирования двухцветного (черно-белого) изображения достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пиксела. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков. Два байта (16 битов) позволяют определить 65536 различных цветов. Этот режим называется High Color. Если для кодирования цвета используются три байта (24 бита), возможно

6 

одновременное отображение 16,5 млн цветов. Этот режим называется True Color. От глубины цвета зависит размер файла, в котором сохранено изображение.

    Цвета  в природе редко являются простыми. Большинство цветовых оттенков  образуется смешением основных  цветов. Способ разделения цветового  оттенка на составляющие компоненты  называется цветовой моделью.  Существует много различных типов  цветовых моделей, но в компьютерной  графике, как правило, применяется  не более трех. Эти модели известны  под названиями: RGB, CMYK, НSB. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7

Области применения компьютерной графики

      Область применения компьютерной  графики не ограничивается одними  художественными эффектами. Во  всех отраслях науки, техники,  медицины, в коммерческой и управленческой  деятельности используются построенные  с помощью компьютера схемы,  графики, диаграммы, предназначенные  для наглядного отображения разнообразной  информации.

      Научная графика. Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

     Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

     Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

     Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

      Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

    Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все

8

промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся  на математическое описание данного  вида движения. Полученные рисунки, выводимые  последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

     Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

       Разработки в области компьютерной графики сначала двигались лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики относятся:

- Графический интерфейс пользователя;

- Спецэффекты, Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография;

- Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;

- Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;

- Цифровая живопись;

- Визуализация научных и деловых данных;

- Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);

- Системы автоматизированного проектирования;

- Компьютерная томография.

- Компьютерная графика для кино и телевидения

- Лазерная графика.

        Компьютерная графика является также одной из областей научной деятельности. В области компьютерной графики защищаются диссертации, а также проводятся различные конференции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

9

Виды  компьютерной графики

     Несмотря  на то, что для работы с компьютерной  графикой существует множество  классов программного обеспечения,  различают четыре вида компьютерной  графики. Это растровая графика,  векторная графика, трёхмерная  и фрактальная графика. Они  отличаются принципами формирования  изображения при отображении  на экране монитора или при  печати на бумаге.

     Растровую  графику применяют при разработке  электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете применяют растровые иллюстрации в тех случаях, когда надо передать полную гамму оттенклв цветного изображения.

      Программные средства для работы  с векторной графикой наоборот  предназначены, в первую очередь,  для создания иллюстраций и  в меньшей степени для их  обработки. Такие средства широко  используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и  издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов  и простейших геометрических  элементов, решаются средствами  векторной графики намного проще.  Существуют примеры высокохудожественных  произведений, созданных средствами  векторной графики, но они скорее  исключение, чем правило, поскольку  художественная подготовка иллюстраций  средствами векторной графики  чрезвычайно сложна.

      Трёхмерная графика широко используется  в инженерном программировании, компьютерном моделировании физических  объектов и процессов, в мультипликации, кинемотографии и компьютерных играх.

      Программные средства для работы  с фрактальной графикой предназначены  для автоматической генерации  изображений путем математических  расчетов. Создание фрактальной  художественной композиции состоит  не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную  графику редко применяют для  создания печатных или электронных  документов, но ее часто используют  в развлекательных программах. 
 
 
 
 
 
 

10

Растровая графика

     Основным (наименьшим) элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселом. Каждый пиксел растрового изображения имеет свойства: размещение и цвет. Чем больше количество пикселей и чем меньше их размеры, тем лучше выглядит изображение. Большие объемы данных - это основная проблема при использовании растровых изображений. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с исключительно большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Разумеется, такие компьютеры должны иметь и высокопроизводительные процессоры. Второй недостаток растровых изображений связан с невозможностью их увеличения для рассмотрения деталей. Поскольку изображение состоит из точек, то увеличение изображения приводит только к тому, что эти точки становятся крупнее и напоминают мозаику. Никаких дополнительных деталей при увеличении растрового изображения рассмотреть не удается. Более того, увеличение точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает её грубой. Этот эффект называется пикселизацией.

     Растровая  графика всегда оперирует двумерным  массивом (матрицей) пикселей. Каждому  пикселю сопоставляется значение  — яркости, цвета, прозрачности  — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое  число строк и столбцов.

      Без особых потерь растровые  изображения можно только лишь  уменьшать, хотя некоторые детали  изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении.  Увеличение же растровых изображений  оборачивается «красивым» видом  на увеличенные квадраты того  или иного цвета, которые раньше  были пикселями.

      В растровом виде представимо  любое изображение, однако этот  способ хранения имеет свои  недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями,  потери при редактировании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11

Векторная графика

   Так в векторной графике основным элементом изображения является линия (при этом не важно, прямая это линия или кривая). Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.

    Современные компьютерные видеодисплеи отображают информацию в растровом формате. Для отображения векторного формата на растровом используются преобразователи, программные или аппаратные, встроенные в видеокарту.

     Кроме этого, существует узкий класс устройств, ориентированных исключительно на отображение векторных данных. К ним относятся мониторы с векторной развёрткой, графопостроители, а также некоторые типы лазерных проекторов.

       Векторная графика представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.