История компьютерной графики

Содержание

Введение………………………………………………………………………..2

1. История компьютерной графики………………………………………3
2. Растровая графика ……………………………………………………...6
3. Векторная графика……………………………………………………...8
4. Трехмерная графика……………………………………………………13

Список использованной литературы………………………………………..14

Введение

Формальное определение компьютерная (машинная) графика ― это создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений с помощью ЭВМ. Под интерактивной компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики, изучающий вопросы динамического управления со стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия.

Актуальность нашей работы заключается в рассмотрении процесса создания и форматирования графической информации на компьютере и ее возможностей.

Цель работы состоит в изучении технологии обработки графической информации.

Достижение цели предполагает решение ряда задач:

1) рассмотреть растровые  и векторные графические изображения;

2) определить форматы  графических файлов;

3) изучить растровые и  векторные редакторы;

4) рассмотреть трехмерную графику

Изображения, хранящиеся в памяти компьютера, независимо от способа их получения и представления, всегда являются усеченной моделью картины реального мира. Их детализация возможна лишь с той степенью, которая была заложена при их создании или получении.

1.История компьютерной графики.

История компьютерной графики

Первоначально практически все ЭВМ работали с числовыми и символьными данными. В качестве устройств ввода и вывода использовались специальные пульты, перфокарты и телетайпы — печатающие машины.

В декабре 1951 года инженер Массачусетсского технологического института Джей У. Форрестер продемонстрировал новый компьютер “Вихрь”, принципиальным отличием которого было устройство вывода, формировавшее изображение на экране электронно-лучевой трубки. Изображение формировалось из отдельных светящихся точек. Позднее для оперативного управления компьютером во время управления комплексами ПВО было разработано первое интерактивное устройство ввода — световой пистолет.

Таким образом, было положено начало одному из самых применяемых направлений информационных технологий — компьютерной графике.

Основной принцип формирования изображения, примененный в этом компьютере, формирование изображения на экране из отдельных точек, расположенных в узлах прямоугольной сетки (растра), получил название растровой графики.

Следующим шагом в развитии этого направления стала разработка в 1961–1962 году Айвеном Сазерлендом первой интерактивной программы для выполнения чертежей — Sketchpad (Блокнот). Программа впервые реализовала принцип интерактивного рисования отдельных графических примитивов (отрезков и дуг) из отдельных точек и последующих операций с ними. Интерактивность достигалась применением светового пера для указания необходимых координат. Примерно в то же время была разработана первая система автоматизированного проектирования (DAC-1), но она требовала ввода координат примитивов с клавиатуры.

Наиболее существенной трудностью при работе с графикой была высокая загрузка центрального процессора и памяти, поскольку изображение полностью формировалось с помощью ЦП. Для преодоления этого затруднения были разработаны системы с памятью регенерации (позднее — видеопамятью), снимавшие с центрального процессора нагрузку. В таких системах каждая точка изображения описывалась некоторым числом. Практически все мониторы были монохромными, позволяли работать только с одним цветом (не обязательно белым).

Поскольку наличие большой памяти (для каждой точки — не менее бита) делало такие системы крайне дорогими, вместо них долгое время применялись системы с запоминающей электронно-лучевой трубкой, удерживавшей изображение около часа. Применение таких систем не давало возможности работать с изображением интерактивно, но сильно удешевляло производство.

Появление в начале 80-х годов высокоскоростных и дешевых запоминающих устройств на основе микросхем позволило активно развивать это направление.

2.Растовая графика

Основными параметрами изображения в растровой форме является разрешение,возможное количество градаций. Различают разрешение линейное — количество столбцов по горизонтали и линий по вертикали, и цветовое/оттеночное — количество оттенков или цветов у каждой точки. Линейное разрешение описывают как количество точек, а цветовое — в виде количества битов, отводимых на описание каждой отдельной точки (эту величину еще называют битовой глубиной цвета).

Основное окно редактора растровой графики Adobe Photoshop с отмеченными основными элементными

Чем выше количество точек на единицу площади, чем выше количество цветов каждой точки, тем выше возможное качество изображения, но тем больше объем памяти, необходимый для хранения и обработки изображения. Например, при использовании 24 бит для представления цвета каждой точки может быть использовано 16 777 216 (224) оттенков, и изображение размером 1280 ґ 1024 точки (разрешение современного монитора) будет занимать как минимум 3840 Кб памяти.

Растровая графика — универсальное средство для формирования и обработки любых плоских изображений. С помощью цветов и оттенков отдельных точек на плоском изображении могут быть показаны и пространственные (объемные) сцены.

Растровая графика — основное средство представления и обработки фотографических изображений, стилизованных художественных рисунков, всевозможных диаграмм, текста. С помощью именно этого способа представления информации строятся современные человеко-машинные интерфейсы.

Несмотря на универсальность, этот способ представления информации имеет целый ряд недостатков. К ним относятся: зависимость (причем квадратичная) качества изображения от его объема, трудность выделения и манипуляции отдельными осмысленными элементами, существенное падение качества изображения в результате геометрических преобразований.

Для преодоления этих недостатков программы работы с растровой графикой предусматривают средства создания составных изображений с помощью механизмаслоев (layers) — накладывающихся друг на друга плоскостей, в каждой из которых используется только часть точек, механизма фильтров — преобразующих цвета пикселей с учетом некоторых параметров (выполняя, например, размытие или внесение геометрических искажений), управления цветовыми каналами и способом взаимодействия отдельных слоев.

Программы работы с растровой графикой имеют в своем составе большой набор способов изменения цвета пикселей, для этого используется метафора “инструмента” — модели кисти или карандаша с изменяемыми параметрами. Пользователь может создавать библиотеки таких инструментов.

Как было показано выше, при хранении и обработке растровая графика требует большого объема памяти. Поэтому при разработке способов ее хранения и передачи часто используют сжатие — преобразование, позволяющее уменьшить объем при хранении. Существует большое количество различных методов сжатия графической информации, подробнее о них рассказано в статье “Сжатие” 2.

Примеры программных средств

Adobe Photoshop, GIMP, Corel Painter

3.Векторная графика

Существенным недостатком растровой графики является трудность манипуляции отдельными объектами и выполнение геометрических преобразований. Одно из следствий этого — трудности в организации качественного вывода на различных устройствах и затруднения при изображении новых, не сфотографированных объектов.

Кроме того, очень быстро растет объем изображения (и необходимой для него памяти) при увеличении линейных размеров.

Для преодоления этих трудностей применяется подход, подразумевающий хранение и обработку изображения не в виде растра, а в виде некоторых отдельных элементов(графических примитивов). Элементами обычно являются математические объекты с заданными конкретными параметрами. Параметры позволяют выполнить визуализацию элементов на устройстве вывода (растеризацию), исходя из его характеристики и заданного “окна” просмотра.

Поскольку пространственное положение примитивов и способ отображения задаются с помощью координат, способ хранения и обработки получил название векторной графики.

Одним из наиболее существенных достоинств векторной формы представления изображения является ее компактность и малая зависимость объема от размеров изображения.

Рисунок в векторном графическом редакторе Corel Draw с основными элементами редактирования

К минусам этой формы представления относится отсутствие общих стандартов (практически у каждого редактора есть свои собственные форматы и особенности) и высокие требования к системным ресурсам, особенно — ресурсам вычислительным.

В программах подготовки векторных изображений работа строится вокруг объектов(примитивов), обладающих некоторыми свойствами.

Наиболее распространенными примитивами являются: отрезки, прямоугольники и их производные (со сглаженными углами), эллипсы и их части, кривые Безье(математические кривые третьего порядка, задаваемые 4 точками), а также составленные из них сложные контуры. Одним из типовых объектов является текст, написанный, как правило, контурным шрифтом (векторным по сути).

Каждый объект может обладать целым рядом свойств. К ним, в частности, относят:толщину линий и способ их стыковки, цвет, заливку — способ заполнения замкнутого контура, — накладываемые на объект эффекты. Параметром является и положение объекта.

С объектами редактор векторной графики может выполнять большое количество разнообразных операций. К таким операциям относятся: повороты,масштабирование, геометрические искажения всевозможных видов, тиражирование готовых объектов. Специфика формы представления такова, что операции выполняются без искажений.

Современные редакторы векторной графики могут импортировать и использовать как готовые объекты изображения растровой графики.

Редакторы векторной графики позволяют группировать объекты и создавать таким образом сложные объекты для выполнения операций над ними как над единым целым.

Объекты могут быть упорядочены друг относительно друга, распределены на плоскости как “на поверхности”, так и “по вертикали”.

Как и программы растровой графики, программы векторной графики поддерживают работу со слоями.

Векторная графика применяется в программах автоматизированного проектирования, подготовки графических печатных материалов (плакатов, например), для подготовки анимационных роликов к публикации в сети Интернет, презентаций.

Примеры программных средств

CorelDraw, Adobe Illustrator, OpenOffice Draw

4.Трехмерная графика

Построение трехмерного изображения

С ростом вычислительной мощности и доступности элементов памяти, с появлением качественных графических терминалов и устройств вывода была разработана большая группа алгоритмов и программных решений, которые позволяют формировать на экране изображение, представляющее некоторую объемную сцену. Первые такие решения были предназначены для задач архитектурного и машиностроительного проектирования.

При формировании трехмерного изображения (статического или динамического) его построение рассматривается в пределах некоторого пространства координат, которое называется сценой. Сцена подразумевает работу в объемном, трехмерном мире — поэтому и направление получило название трехмерной (3-Dimensional, 3D) графики.

На сцене размещаются отдельные объекты, составленные из геометрических объемных тел и участков сложных поверхностей (чаще всего для построения применяются так называемые B-сплайны). Для формирования изображения и выполнения дальнейших операций поверхности разбиваются на треугольники — минимальные плоские фигуры — и в дальнейшем обрабатываются именно как набор треугольников.

На следующем этапе “мировые” координаты узлов сетки пересчитывают с помощью матричных преобразований в координаты видовые, т.е. зависящие от точки зрения на сцену. Положение точки просмотра, как правило, называют положением камеры.

Рабочее пространство системы подготовки  
трехмерной графики Blender (пример с сайта  
http://www.blender.org)

После формирования каркаса (“проволочной сетки”) выполняется закрашивание — придание поверхностям объектов некоторых свойств. Свойства поверхности в первую очередь определяются ее световыми характеристиками: светимостью, отражающей способностью, поглощающей способностью и рассеивающей способностью. Этот набор характеристик позволяет определить материал, поверхность которого моделируется (металл, пластик, стекло и т.п.). Прозрачные и полупрозрачные материалы обладают еще рядом характеристик.

Как правило, во время выполнения этой процедуры выполняется и отсечение невидимых поверхностей. Существует много методов выполнения такого отсечения, но самым популярным стал метод  
Z-буфера, когда создается массив чисел, обозначающий “глубину” — расстояние от точки на экране до первой непрозрачной точки. Следующие точки поверхности будут обработаны только тогда, когда их глубина будет меньше, и тогда координата Z уменьшится. Мощность этого метода напрямую зависит от максимально возможного значения удаленности точки сцены от экрана, т.е. от количества битов на точку в буфере.

Расчет реалистичного изображения. Выполнение указанных операций позволяет создать так называемые твердотельные модели объектов, но реалистичным это изображение не будет. Для формирования реалистичного изображения на сцене размещаются источники света и выполняется расчет освещенности каждой точки видимых поверхностей.

Для придания объектам реалистичности поверхность объектов “обтягивается”текстурой — изображением (или процедурой, его формирующей), определяющим нюансы внешнего вида. Процедура называется “наложением текстуры”. Во время наложения текстуры применяются методы растяжения и сглаживания — фильтрация. Например, упоминаемая в описании видеокарт анизотропная фильтрация, не зависящая от направления преобразования текстуры.

После определения всех параметров необходимо выполнить процедуру формирования изображения, т.е. расчет цвета точек на экране. Процедура обсчета называетсярендерингом. Во время выполнения такого расчета необходимо определить свет, попадающий на каждую точку модели, с учетом того, что он может отражаться, что поверхность может закрыть другие участки от этого источника и т.п.

Для расчета освещенности применяется два основных метода. Первый — это методобратной трассировки луча. При этом методе рассчитывается траектория тех лучей, которые в итоге попадают в пиксели экрана — по обратному ходу. Расчет ведется отдельно по каждому из цветовых каналов, поскольку свет разного спектра ведет себя по-разному на разных поверхностях.

Второй метод — метод излучательности — предусматривает расчет интегральной светимости всех участков, попадающих в кадр, и обмен светом между ними.

На полученном изображении учитываются заданные характеристики камеры, т.е. средства просмотра.

Таким образом, в результате большого количества вычислений появляется возможность создавать изображения, трудноотличимые от фотографий. Для уменьшения количества вычислений стараются уменьшить число объектов и там, где это возможно, заменить расчет фотографией; например, при формировании фона изображения.

Твердотельная модель и итоговый результат обсчета модели (пример с сайтаhttp://www.blender.org)

Анимация и виртуальная реальность

Следующим шагом в развитии технологий трехмерной реалистичной графики стали возможности ее анимации — движения и покадрового изменения сцены. Первоначально с таким объемом расчетов справлялись только суперкомпьютеры, и именно они использовались для создания первых трехмерных анимационных роликов.

Позже были разработаны специально предназначенные для обсчета и формирования изображений аппаратные средства — 3D-акселераторы. Это позволило в упрощенной форме выполнять такое формирование в реальном масштабе времени, что и используется в современных компьютерных играх. Фактически, сейчас даже обычные видеокарты включают в себя такие средства и являются своеобразными мини-компьютерами узкого назначения.

При создании игр, съемках фильмов, разработке тренажеров, в задачах моделирования и проектирования различных объектов у задачи формирования реалистичного изображения появляется еще один существенный аспект — моделирование не просто движения и изменения объектов, а моделирование их поведения, соответствующего физическим принципам окружающего мира.

Такое направление, с учетом применения всевозможных аппаратных средств передачи воздействий внешнего мира и повышения эффекта присутствия, получило название виртуальной реальности.

Для воплощения такой реалистичности создаются специальные методы расчета параметров и преобразования объектов — изменения прозрачности воды от ее движения, расчет поведения и внешнего вида огня, взрывов, столкновения объектов и т.д. Такие расчеты носят достаточно сложный характер, и для их реализации в современных программах предложен целый ряд методов.

Один из них — это обработка и использование шейдеров — процедур, изменяющих освещенность (или точное положение) в ключевых точках по некоторому алгоритму. Такая обработка позволяет создавать эффекты “светящегося облака”, “взрыва”, повысить реалистичность сложных объектов и т.д.

Появились и стандартизируются интерфейсы работы с “физической” составляющей формирования изображения — что позволяет повысить скорость и точность таких расчетов, а значит, и реалистичность создаваемой модели мира.

Трехмерная графика — одно из самых зрелищных и коммерчески успешных направлений развития информационных технологий, часто ее называют одним из основных стимулов развития аппаратного обеспечения. Средства трехмерной графики активно применяются в архитектуре, машиностроении, в научных работах, при съемке кинофильмов, в компьютерных играх, в обучении.

Примеры программных продуктов

Maya, 3DStudio, Blender

Заключение

Формальное определение компьютерная (машинная) графика ― это создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений с помощью ЭВМ. Одно и то же изображение может быть представлено в памяти ЭВМ двумя принципиально различными способами и получено два различных типа изображения: растровое и векторное. Файлы практически любого векторного формата позволяют хранить в себе и растровую графику.

Растровый графический редактор — специализированная программа, предназначенная для создания и обработки изображений. Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах.

Paint ― простейший графический редактор, предназначенный для создания и редактирования растровых графических изображений в основном формате Windows (BMP) и форматах  Интернета (GIF и JPEG). К векторным графическим редакторам относятся графический редактор, встроенный в текстовый редактор Word. Для создания собственных изображений в документах Word используется панель инструментов Рисование, с помощью которой можно нарисовать и оформить простейшие графические объекты.

Список использованной литературы

1. Апатова, Н.В. Информационные технологии в школьном образовании [Текст] / Н.В. Апатова – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 125 с.
2. Мураховский, В.И. Компьютерная графика: Популярная энциклопедия / В.И. Мураховский. ― М.: АСТ, 2002. ― 640 с.
3. Роджерс, Д., Адамс, Дж. Математические основы машинной графики / Д. Роджерс, Дж. Адамс. ― М.: Мир, 2001. ― 604 с.
4. Электронный источник: http://xn--80aawbkjgiswr.xn--1-btbl6aqcj8hc.xn--p1ai/article.php?ID=200701608