Контрольная работа по "Компьютерной графике". 2

Задание 1. Раскрыть суть приведенных  понятий и технологий.

1. Растровые и векторные изображение

Все изображения в компьютерной графике разделяются на два класса: растровые и векторные. 

Растровым, или точечным изображением принято называть массив пикселов — одинаковых по размеру и форме (чаще всего — квадратов), расположенных в узлах регулярной (то есть состоящей из ячеек одинаковой формы и размера) сетки. Для каждого пиксела  задается цвет. 

Представление растрового изображения в памяти компьютера - это массив упорядоченных сведений о цвете всех пикселов. Наиболее близким аналогом пиксельного изображения является мозаика.

Изображение на экране любого компьютерного монитора — пиксельное, и это хорошо видно через увеличительное стекло. Большинство принтеров воспроизводят на бумаге именно пиксельные изображения.

Векторным изображением в компьютерной графике принято называть совокупность более сложных и разнообразных геометрических объектов.  
 как правило это простейшие геометрические фигуры (круги, эллипсы, прямоугольники, многоугольники, отрезки прямых и дуги кривых линий).

Важнейшая особенность векторной графики - для каждого объекта (или, как мы будем более точно говорить далее, класса геометрических объектов) определяются управляющие параметры, конкретизирующие его внешний вид. Например, для окружности такими управляющими параметрами являются диаметр, цвет, тип и толщина линии, а также цвет внутренней области.

Представление векторного изображения в памяти компьютера сложнее, чем пиксельного (хотя, как правило, при этом оно намного компактнее). Несколько упрощая, можно считать, что оно является перечнем всех объектов, из которых составлено изображение, причем для каждого объекта указано, к какому классу объектов он принадлежит, и приведены значения всех управляющих параметров.

Основной недостаток пиксельного изображения состоит в том, что размер пикселов является фиксированным. Из-за этого в случае изменения размера изображения возникают крайне нежелательные эффекты. 

При его увеличении  увеличивается размер пиксела.  Слишком крупные пикселы перестают восприниматься глазом зрителя как однородное изображение.  
При уменьшении пиксельного изображения с сохранением прежнего размера пикселов неизбежно приходится выбрасывать некоторые пикселы, что приводит к потере части содержащейся в изображении информации. В результате детали изображения становятся плохо различимыми. Более того, оказывается, что размеры пиксельного изображения при сохранении исходного размера пикселов можно увеличивать лишь кратно - в два, три и т. д. раза. Если это условие не соблюдается, на изображении может возникать муар — волнообразные полосы, точки или клетки. Избавиться от муара, не искажая само изображение, не так-то просто.

Второй недостаток пиксельных изображений связан с тем, что для их хранения необходим большой объем памяти. При работе с точечными изображениями высокой четкости и сравнительно большого размера нередки случаи, когда объемы соответствующих им файлов составляют сотни мегабайтов. Работа с такими громоздкими объектами зачастую оказывается не под силу даже самым современным и мощным компьютерам.

Работе с векторным изображением присуща большая гибкость. Чтобы увеличить или уменьшить его, требуется всего лишь изменить один управляющий параметр изображения в целом — масштаб. При этом размер файла с векторным изображением не увеличится ни на один байт. Внесенные изменения будут учтены при рендеринге (рендеринг представляет собой частный случай преобразования векторного изображения в пиксельное — растрирования после слияния слоев без сохранения результата в файле.), и четкость изображения не пострадает. На рис. представлены результаты увеличения точечного и векторного изображений.

Сравните векторное и растровое изображения при увеличении

В отличие от пиксельного изображения, степень структуризации векторного изображения может быть произвольной. Она определяется создающим его художником. У вас не будет затруднений, если вы также захотите «поправить галстук» — достаточно изменить значение угла поворота группы объектов, из которых составлено его изображение.

Объем файлов с векторными изображениями в большинстве случаев намного меньше объема файлов с изображениями пиксельными.

В завершение сравнительного анализа классов изображений отметим, что преобразование векторного изображения в пиксельное (растрирование или рендеринг) представляет собой достаточно простой и абсолютно формальный процесс, который выполняется большинством программ компьютерной графики без вмешательства пользователя.  Преобразование же пиксельного изображения в векторное (векторизация или трассировка) в подавляющем большинстве случаев требует не просто вмешательства, а творческого участия пользователя.

2. Описание математических моделей.

Математическая модель — приближенное описание объекта моделирования, выраженное с помощью математической символики.

Математические модели появились вместе с математикой много веков назад. Огромный толчок развитию математического моделирования придало появление ЭВМ. Применение вычислительных машин позволило проанализировать и применить на практике многие математические модели, которые раньше не поддавались аналитическому исследованию. Реализованная на компьютере математическая модель называется компьютерной математической моделью, а проведение целенаправленных расчетов с помощью компьютерной модели называется вычислительным экспериментом.

Этапы компьютерного математического моделирования изображены на рисунке. 

Первый этап —определение целей моделирования. Эти цели могут быть различными:

1. модель нужна для того, чтобы понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия 
   с окружающим миром (понимание);
2. модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом)  и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);
3. модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).

Поясним на примерах. Пусть объект исследования — взаимодействие потока жидкости или газа с телом, являющимся для этого потока препятствием. Опыт показывает, что сила сопротивления потоку со стороны тела растет с ростом скорости потока, но при некоторой достаточно высокой скорости эта сила скачком уменьшается с тем, чтобы с дальнейшим увеличением скорости снова возрасти. Что же вызвало уменьшение силы сопротивления? Математическое моделирование позволяет получить четкий ответ: в момент скачкообразного уменьшения сопротивления вихри, образующиеся в потоке жидкости или газа позади обтекаемого тела, начинают отрываться от него и уноситься потоком.

Пример совсем из другой области: мирно сосуществовавшие со стабильными численностями популяции двух видов особей, имеющих общую кормовую базу, "вдруг" начинают резко менять численность. И здесь математическое моделирование позволяет (с известной долей достоверности) установить причину (или по крайней мере опровергнуть определенную гипотезу).

Выработка концепции управления объектом — другая возможная цель моделирования. Какой режим полета самолета выбрать для того, чтобы полет был безопасным и экономически наиболее выгодным? Как составить график выполнения сотен видов работ на строительстве большого объекта, чтобы оно закончилось в максимально короткий срок? Множество таких проблем систематически возникает перед экономистами, конструкторами, учеными.

Наконец, прогнозирование последствий тех или иных воздействий на объект может быть как относительно простым делом в несложных физических системах, так и чрезвычайно сложным — на грани выполнимости — в системах биолого-экономических, социальных. Если ответить на вопрос об изменении режима распространения тепла в тонком стержне при изменениях в составляющем его сплаве относительно легко, то проследить (предсказать) экологические и климатические последствия строительства крупной ГЭС или социальные последствия изменений налогового законодательства несравненно труднее. Возможно, и здесь методы математического моделирования будут оказывать в будущем более значительную помощь.

Второй этап: определение входных и выходных параметров модели; разделение входных параметров по степени важности влияния их изменений на выходные. Такой процесс называется ранжированием, или разделением по рангам (см. "Формализация и моделирование").

Третий этап: построение математической модели. На этом этапе происходит переход от абстрактной формулировки модели к формулировке, имеющей конкретное математическое представление. Математическая модель — это уравнения, системы уравнений, системы неравенств, дифференциальные уравнения или системы таких уравнений и пр.

Четвертый этап: выбор метода исследования математической модели. Чаще всего здесь используются численные методы, которые хорошо поддаются программированию. Как правило, для решения одной и той же задачи подходит несколько методов, различающихся точностью, устойчивостью и т.д. От верного выбора метода часто зависит успех всего процесса моделирования.

Пятый этап: разработка алгоритма, составление и отладка программы для ЭВМ — трудно формализуемый процесс. Из языков программирования многие профессионалы для математического моделирования предпочитают FORTRAN: как в силу традиций, так и в силу непревзойденной эффективности компиляторов (для расчетных работ) и наличия написанных на нем огромных, тщательно отлаженных и оптимизированных библиотек стандартных программ математических методов. В ходу и такие языки, как PASCAL, BASIC, С, — в зависимости от характера задачи и склонностей программиста.

Шестой этап: тестирование программы. Работа программы проверяется на тестовой задаче с заранее известным ответом. Это — лишь начало процедуры тестирования, которую трудно описать формально исчерпывающим образом. Обычно тестирование заканчивается тогда, когда пользователь по своим профессиональным признакам сочтет программу верной.

Седьмой этап: собственно вычислительный эксперимент, в процессе которого выясняется, соответствует ли модель реальному объекту (процессу). Модель достаточно адекватна реальному процессу, если некоторые характеристики процесса, полученные на ЭВМ, совпадают с экспериментально полученными характеристиками с заданной степенью точности. В случае несоответствия модели реальному процессу возвращаемся к одному из предыдущих этапов.

Классификация математических моделей

В основу классификации математических моделей можно положить различные принципы. Можно классифицировать модели по отраслям наук (математические модели в физике, биологии, социологии и т.д.). Можно классифицировать по применяемому математическому аппарату (модели, основанные на применении обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, стохастических методов, дискретных алгебраических преобразований и т.д.). Наконец, если исходить из общих задач моделирования в разных науках безотносительно к математическому аппарату, наиболее естественна такая классификация:

• дескриптивные  (описательные)  модели;
• оптимизационные модели;
• многокритериальные модели;
• игровые модели.

Поясним это на примерах.

Дескриптивные (описательные) модели. Например, моделирование движения кометы, вторгшейся в Солнечную систему, производится с целью предсказания траектории ее полета, расстояния, на котором она пройдет от Земли, и т.д. В этом случае цели моделирования носят описательный характер, поскольку нет никаких возможностей повлиять на движение кометы, что-то в нем изменить.

Оптимизационные модели используются для описания процессов, на которые можно воздействовать, пытаясь добиться достижения заданной цели. В этом случае в модель входит один или несколько параметров, доступных влиянию. Например, меняя тепловой режим в зернохранилище, можно задаться целью подобрать такой режим, чтобы достичь максимальной сохранности зерна, т.е. оптимизировать процесс хранения.

Многокритериальные модели. Нередко приходится оптимизировать процесс по нескольким параметрам одновременно, причем цели могут быть весьма противоречивыми. Например, зная цены на продукты и потребность человека в пище, нужно организовать питание больших групп людей (в армии, детском летнем лагере и др.) физиологически правильно и, одновременно с этим, как можно дешевле. Ясно, что эти цели совсем не совпадают, т.е. при моделировании будет использоваться несколько критериев, между которыми нужно искать баланс.

Игровые модели могут иметь отношение не только к компьютерным играм, но и к весьма серьезным вещам. Например, полководец перед сражением при наличии неполной информации о противостоящей армии должен разработать план: в каком порядке вводить в бой те или иные части и т.д., учитывая и возможную реакцию противника. Есть специальный раздел современной математики — теория игр, — изучающий методы принятия решений в условиях неполной информации.

Методические рекомендации

В школьном курсе информатики начальное представление о компьютерном математическом моделировании ученики получают в рамках базового курса. В старших классах математическое моделирование может глубоко изучаться в общеобразовательном курсе для классов физико-математического профиля, а также в рамках специализированного элективного курса.

Основными формами обучения компьютерному математическому моделированию в старших классах являются лекционные, лабораторные и зачетные занятия. Обычно работа по созданию и подготовке к изучению каждой новой модели занимает 3—4 урока. В ходе изложения материала ставятся задачи, которые в дальнейшем должны быть решены учащимися самостоятельно, в общих чертах намечаются пути их решения. Формулируются вопросы, ответы на которые должны быть получены при выполнении заданий. Указывается дополнительная литература, позволяющая получить вспомогательные сведения для более успешного выполнения заданий.

Формой организации занятий при изучении нового материала обычно служит лекция. После завершения обсуждения очередной модели учащиеся имеют в своем распоряжении необходимые теоретические сведения и набор заданий для дальнейшей работы. В ходе подготовки к выполнению задания учащиеся выбирают подходящий метод решения, с помощью какого-либо известного частного решения тестируют разработанную программу. В случае вполне возможных затруднений при выполнении заданий дается консультация, делается предложение более детально проработать указанные разделы в литературных источниках.

Наиболее соответствующим практической части обучения компьютерному моделированию является метод проектов. Задание формулируется для ученика в виде учебного проекта и выполняется в течение нескольких уроков, причем основной организационной формой при этом являются компьютерные лабораторные работы. Обучение моделированию с помощью метода учебных проектов может быть реализовано на разных уровнях. Первый — проблемное изложение процесса выполнения проекта, которое ведет учитель. Второй — выполнение проекта учащимися под руководством учителя. Третий — самостоятельное выполнение учащимися учебного исследовательского проекта.

Результаты работы должны быть представлены в численном виде, в виде графиков, диаграмм. Если имеется возможность, процесс представляется на экране ЭВМ в динамике. По окончанию расчетов и получению результатов проводится их анализ, сравнение с известными фактами из теории, подтверждается достоверность и проводится содержательная интерпретация, что в дальнейшем отражается в письменном отчете.

Если результаты удовлетворяют ученика и учителя, то работа считается завершенной, и ее конечным этапом является составление отчета. Отчет включает в себя краткие теоретические сведения по изучаемой теме, математическую постановку задачи, алгоритм решения и его обоснование, программу для ЭВМ, результаты работы программы, анализ результатов и выводы, список использованной литературы.

Когда все отчеты составлены, на зачетном занятии учащиеся выступают с краткими сообщениями о проделанной работе, защищают свой проект. Это является эффективной формой отчета группы, выполняющей проект, перед классом, включая постановку задачи, построение формальной модели, выбор методов работы с моделью, реализацию модели на компьютере, работу с готовой моделью, интерпретацию полученных результатов, прогнозирование. В итоге учащиеся могут получить две оценки: первую — за проработанность проекта и успешность его защиты, вторую — за программу, оптимальность ее алгоритма, интерфейс и т.д. Учащиеся получают отметки и в ходе опросов по теории.

Существенный вопрос — каким инструментарием пользоваться в школьном курсе информатики для математического моделирования? Компьютерная реализация моделей может быть осуществлена:

• с помощью табличного процессора (как правило, MS Excel);
• путем создания программ на традиционных языках программирования  (Паскаль, Бейсик и др.), а также на их современных версиях  (Delphi, Visual Basic for Application и т.п.);
• с помощью специальных пакетов прикладных программ  для  решения  математических  задач (MathCAD и т.п.).

На уровне основной школы первое средство представляется более предпочтительным. Однако в старшей школе, когда программирование является, наряду с моделированием, ключевой темой информатики, желательно привлекать его в качестве инструмента моделирования. В процессе программирования учащимся становятся доступными детали математических процедур; более того, они просто вынуждены их осваивать, а это способствует и математическому образованию. Что же касается использования специальных пакетов программ, то это уместно в профильном курсе информатики в качестве дополнения к другим инструментам.

Задание 2. Описать средства и технологии, используемые при работе с настольной издательской  системой PAGEMAKER.

2.1. Взаимодействие графики и текста

В любом документе основным носителем информации является текст. Именно для того, чтобы текст был более выразительным и как можно лучше воспринимался читателем, дизайнеры и верстальщики применяют разнообразные приемы, повышающие его выразительность. Вполне естественно, что от того, как будет оформлен текст в публикации,

зависит и то, как он будет воспринят читателем и насколько удачной получится публикация.

Способы помещения текста в публикацию

Для добавления текста в публикацию Page Maker можно воспользоваться несколькими способами: набрать текст непосредственно в Page Maker, скопировать из текстового процессора с помощью буфера обмена или импортировать текстовый файл. Какой из них выбрать, зависит от конкретной задачи, но основным считается импорт

текстового файла, набранного в одном из текстовых процессоров или редакторов. Ниже описаны способы помещения текста в публикацию.

Набор текста в режиме текстового редактора. Для набора и форматирования текста в Page Maker можно использовать два режима - режим Верстки и Текстовый режим.

Для перехода между ними нужно использовать команду Редактирование|Текстовый режим\Режим верстки  или комбинацию клавиш Ctrl+E.

В Текстовом режиме набираемый или редактируемый текст отображается в специальном окне одной и той же гарнитурой равного размера, независимо от того, какая гарнитура или размер выбраны для того или иного абзаца или слова. При этом все абзацы выравниваются по левому краю (независимо от того, какой тип выравнивания им назначен), а графические объекты отображаются  в виде небольших черных квадратов (если они вклеены текст). Свободные графические объекты в Текстовом режиме не отображается вообще. Левая часть рабочего окна текстового редактора отделена от поля ввода текста и служит для отображения стилей абзацев. В Текстовом режиме показываться только начертание символов, поэтому один и тот же материал в режиме Верстки и в Текстовом режиме может выглядеть совершенно по-разному.

Несмотря на то, что встроенный текстовый редактор не позволяет отображать текст в том виде, в котором он будет напечатан, внесение в текст существенных

изменений удобнее производить именно в нем, так как это позволяет сосредоточиться не на оформлении текста, а на его содержании. В Текстовом режиме перерисовка экрана происходит намного быстрее, поскольку в нем не отображаются графические объекты и реальный формат текста; кроме того, значительно упрощается перемещение по тексту, потому что в этом случае отпадает необходимость листать страницы или изменять масштаб отображения. Редактирование и правку текста также намного удобнее выполнять в данном режиме, так как такие команды, как Орфография, Найти, Найти следующий и Заменить

доступны только в Текстовом режиме.            

Использование буфера обмена. Если имеется уже набранный текст (например, документ Microsoft Word), его можно скопировать в буфер обмена (для этого необходимо выделить нужный фрагмент и выполнить команду Правка|Копировать), перейти к Page Maker, выбрать инструмент Текст и щелкнуть в любом месте рабочего пространства, после чего вставить текст из буфера командой Редактирование|Вклеить. Такой способ удобно использовать в том случае, если нет необходимости использовать весь исходный текст, а нужно только его некоторые фрагменты. Если Page Maker не сможет прочитать в буфере

Clipboard спецификации шрифта, то текст, вклеенный в существующий текстовый  блок, будет оформлен в соответствии  с атрибутами символа, расположенного  перед точкой

вставки (или после нее, если вклеивание производиться в начало текстового блока). Дополнительное форматирование (например, выделение отдельных слов курсивом),

сделанное пред копированием в Clipboard, будет сохранено.            

Использование команды Поместить. Данный способ является основным при помещении текста в Page Maker. Это обусловлено тем, что, как правило, допечатной подготовкой издания занимаются несколько человек, каждый из которых выполняет свои функции. К верстальщику текст попадает уже в виде текстового файла, предварительно набранного наборщиком, вычитанного корректором и уже со всеми необходимыми правками. Поэтому верстальщику удобно сразу помещать в публикацию весь текстовый файл целиком, после чего он может начать работу по его размещению.           

Page Maker позволяет импортировать  в публикацию текст, созданный  в других программах. Page Maker поддерживает  широкий спектр текстовых процессоров  и текстовых форматов, включая RTF (Rich Text Format). Чтобы получить возможность  импортировать различные типы файлов, необходимо установить соответствующие фильтры. Одним из наиболее удобных форматов для передачи текстовых файлов является формат RTF, так как он позволяет сохранить форматирование на уровне отдельных символов (в частности, начертание букв), чего лишен формат TXT. Формат RTF одинаково хорошо подходит как для редактирования в Microsoft Word любой версии, так и для помещения непосредственно в Page Maker.           

 Импортировав текст в программу Page Maker, его можно обрабатывать  точно так же, как любой другой текст, созданный непосредственно в публикации. Существует и другой способ обработки импортированных материалов: можно отредактировать исходный текстовый документ (в той программе, в которой он был создан), после чего Page Maker

автоматически скопирует все внесенные в него изменения в публикацию. Различаются несколько способов импорта и обновления текстовых и графических файлов.           

 Для импорта текстового файла  следует использовать команду Файл|Поместить. В диалоговом окне Поместить можно задать некоторые дополнительные установки. Набор параметров в диалоговом окне Поместить зависит от того, какой объект предполагается импортировать: текст, таблицу, базу данных или изображение, а также от того, был ли выделен объект или фрейм при выборе команды Файл|Поместить. В списке доступных файлов будут указаны имена всех файлов, расширения которых распознает Page Maker.           

 Если в диалоговом окне Поместить будет отмечен флажок Показать параметры фильтра, то после нажатия кнопки Открыть будет открыто еще одно диалоговое окно, в 

котором можно указать дополнительные условия импорта, связанные с определенными фильтрами.           

 Исходные тексты для верстки  часто сохраняются в формате TXT, поэтому импорту текста в данном  формате следует уделить несколько больше внимания.            

 В том случае, если исходный  текст набирался в текстовом  редакторе, работающем под DOS, он  будет сохранен в кодировке ASCII, а если в текстовом редакторе, работающем под Windows, то в кодировке ANSI. При импорте текстового файла в диалоговом окне фильтра можно указать, какая кодировка была использована при его сохранении, и Page Maker сможет правильно отобразить символы. В случае если будет указана неверная кодировка, вместо осмысленного текста в Page Maker будет импортирован набор символов. В данном случае следует просто еще раз поместить текст, указав в диалоговом окне фильтра другую кодировку.           

Page Maker запоминает установки, заданные  при последнем импорте текста, которые будут приниматься по умолчанию для всех последующих импортируемых

файлов того же формата до тех пор, пока они не будут изменены или не будет произведен перезапуск Page Maker.           

 При импорте текстового файл  с помощью команды Файл|Поместить в диалоговом окне команды Поместить могут быть указаны следующие варианты:

¨   Как новый материал - включает текст в публикацию в виде нового самостоятельного материала, не зависящего ни от каких существующих материалов;

¨   Вместо целого материала - удаляет весь выделенный материал и замещает его новым текстом; новый текст заполняет существующие текстовые объекты, сохраняя их позиционирование, размеры и ориентацию;

¨   В существующий текст - добавляет новый текст в точке вставки, не удаляя никакой существующий текст;

¨   Вместо выделенного текста (или Разместить во фрейме) - удаляет выделенный фрагмент (или текст в выделенном фрейме) и заменяет его новым текстом;

¨   Импортировать формат - сохраняет при импорте формат символов и абзацев, а также имеющуюся таблицу стилей;

¨   Изменить кавычки - позволяет преобразовать двойные и одинарные кавычки и апострофы

в типографические кавычки и апострофы. При этом сдвоенные дефисы заменяются на

тире;

¨   Читать стилевую разметку - оформление абзаца текста в соответствии с его стилевыми метками (тэгами). Стили должны быть определены в публикации программы Page Maker до начала импорта текста со стилевой разметкой.           

 Таким образом, с помощью  установки дополнительных параметров  при импорте текста в Page Maker можно  быстро получить готовый к верстке текст.

Работа с текстовыми блоками  

           В программе Page Maker весь текст может быть предоставлен только в виде текстовых блоков или текстовых фреймов. Для того чтобы набрать текст, достаточно выбрать инструмент Текст не палитре Инструментов, щелкнуть в любом месте рабочего пространства (не обязательно в пределах страницы) и ввести текст с клавиатуры - при этом автоматически будет создан текстовых блок.