Введение в компьютерную графику.
Понятие
компьютерной графики. Представление данных на мониторе компьютера в графическом
виде впервые было реализовано в середине 50-х годов 20 века для больших ЭВМ,
применявшихся в научных и военных исследованиях.
С
тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью
подавляющего числа компьютерных систем. Графический интерфейс пользователя
сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов,
начиная с операционных систем.
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.
Интерактивная
компьютерная графика - это использование компьютеров для подготовки и
воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность
оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его
воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме
диалога в реальном масштабе времени.
Основные
направления компьютерной графики
Визуализация
изображений, Обработка изображений, распознавание изображений.
Существует
большое количество методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между
собой в зависимости от того, что и как должно быть отображено: график функции,
диаграмма, схема, карта или имитация трехмерной реальности – изображения сцен
в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах
архитектурного проектирования.
Важными
факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены
объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.
Обработка
изображений – это преобразование изображений, т.е. входными данными является
изображение и результат – тоже изображение:
Задачей
обработки изображений может быть, как улучшение в зависимости от определенного
критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование,
кардинально изменяющее изображение. В последнем случае обработка изображений
может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения.
Основной задачей распознавания изображений является получение описания
изображенных объектов.
Цель распознавания:
выделение
отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или
условных знаков на изображении карты),
классификация
изображения в целом (например, проверка, изображен ли определенный объект, или
установление персоны по отпечаткам пальцев).
Задача
распознавания является обратной по отношению к визуализации:
Сферы
применения компьютерной графики:
САПР
(системы автоматизированного проектирования);
деловая
графика (графическое представление данных: таблицы, схемы, диаграммы,
иллюстрации, чертежи);
визуализация
процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое
моделирование);
медицина
(компьютерная томография, УЗИ и т.д.);
геодезия
и картография (ГИС);
полиграфия
(схемы, плакаты, иллюстрации);
сфера
массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);
кинематография
(спецэффекты, компьютерная мультипликация);
быт
(компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).
Виды
компьютерной графики:
Растровая
графика
Векторная
графика
Фрактальная
графика
3D
– графика
Различаются
принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при
печати на бумаге.
Растровая
графика.
Основой растрового представления
графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета.
Пиксель
(элемент картинки) - наименьший единый элемент растровой графики.
Основными
характеристиками являются глубина цвета и разрешение
изображения.
Разрешение
изображения
Для
определения понятия разрешения необходимо выбрать единицу длины; чаще всего
используют британскую – дюйм = 2,54 cм.
Разрешение
изображения – это число пикселей на единицу длины, обозначается ppi (пиксели на
дюйм).
Физический
размер изображения может измеряться и в пикселях, и в единицах длины (мм, см,
дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.
Изображение
с большим разрешением содержит больше пикселей (и меньшего размера), чем у
изображения с меньшим разрешением (и большего размера).
Следует
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 – свойство компьютерной видеосистемы (зависит от параметров монитора и
видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows).
Разрешение
экрана измеряется в пикселях на дюйм (ppi - pixel per inch) и определяет размер
изображения, которое может быть размещено на экране целиком.
Разрешение
печатающего устройства (принтера) – свойство принтера, выражающее количество
отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины.
Оно
измеряется в единицах dpi (dots per inch – точки на дюйм) и определяет размер
изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при
заданном размере.
Глубина
цвета – это количество бит, отведенных на кодирование цвета.
Таким
образом, глубина цвета позволяет определить, какое максимальное количество
цветов может быть реализовано в изображении.
Например,
если глубина цвета составляет 24 бита, то изображение может содержать до 16,8
млн. различных цветов и оттенков (т.е. 224 ≈ 16,8 млн.).
Чем
больше цветов используется для электронного представления изображения, тем
точнее информация о цвете каждой его точки (т.е. его цветопередача).
Применение
растровой графики при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических
изданий.
В
веб-дизайне и Интернете.
Таким
образом, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с
растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображения,
сколько на их обработку.
Векторная
графика.
Векторные
графические изображения создаются из объектов (примитивов), которые описываются
с помощью так называемых параметрических уравнений (линии, окружность,
прямоугольник и др.).
Объекты
состоят из контура и заливки.
Объекты
векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но на экран
все изображения выводятся в виде точек.
Перед
выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления
координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную
графику иногда называют вычисляемой графикой.
Широко
используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и
издательствах (оформительские работы, основанные на применении шрифтов и
простейших геометрических элементов).
Программные
средства для работы с векторной графикой предназначены, в первую очередь, для
создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.
Фрактальная
графика.
Математической
основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. В основу метода
построения изображений положен принцип наследования от, так называемых,
«родителей» геометрических свойств объектов-наследников.
Фракталом
называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны
целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие.
Объект
называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и
друг на друга. В простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию
обо всем фрактале. Мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства
всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры».
Изменяя
и комбинирую окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и
неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из
полученных фигур «фрактальную композицию».
Фрактальная
графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Однако
базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то
есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится
исключительно по уравнениям.
Таким
способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации,
имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.
3D-графика.
(трёхмерная графика)
Трёхмерная
компьютерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве.
В
трёхмерной графике все объекты представляются как набор поверхностей или
частиц. Минимальную поверхность называют полигоном.
В
качестве полигона обычно выбирают треугольники.
Всеми
визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют три вида матрицы: поворота,
сдвига и масштабирования.
Любой
полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у
треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой
вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый
вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый
полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект,
повёрнутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного.
Трёхмерная
графика широко применяется в:
научных
расчетах,
инженерном
проектировании,
компьютерном
моделировании физических объектов,
кино
и компьютерных играх.
Список литературы
1. Проузис, Д. Как работает компьютерная
графика. / Д. Проузис. – Санкт-Петербург: Питер, 2008.
2. Жвалевский, А. Компьютерная графика:
Photoshop CS3, CorelDRAW X3, Illustrator CS3. Трюки и эффекты. / А. Жвалевский,
И. Гурская, Ю. Гурский. – Санкт-Петербург: Питер, 2008.
3. Божко, А. Компьютерная графика. / А.
Божко, Д.М. Жук, В.Б. Маничев. - Москва: МГТУ им. Баумана, 2007.
4. Вишневская, Л. Компьютерная графика для
школьников. / Л. Вишневская - Москва: Новое знание, 2007.
5. Летин, А. Компьютерная графика. / А.
Летин, И. Пашковский, О. Летина. - Москва: Форум, 2007.
6. Сергеев, А. Основы компьютерной графики.
Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. / А. Сергеев, С.
Кущенко. - Москва: Диалектика, 2007.
7. Андреев, О.Ю. Самоучитель компьютерной
графики. Учебное пособие. / О.Ю. Андреев, В.Л. Музыченко. - Москва: Триумф,
2007.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.