Описание основных понятий компьютерной графики для студентов Гуманитарного факультета

Компьютерная  графика для студентов экономических  специальностей

ЛЕКЦИИ

Компьютерная графика для студентов экономических специальностей

Содержание

Введение в  компьютерную графику.

Основные направления  компьютерной графики:

Виды  компьютерной графики 

Фрактальная графика 

Растровая графика 

Векторная графика 

Математические основы векторной графики

Кодирование ASCII

Цвет в  векторной  графике

Трехмерная  графика 

Области применения компьютерной графики

Представление графических данных. Форматы графических данных.

Цвет  и цветовые модели

Цветовая  модель RGB

Системы цветов HSB и HSL

Цветовая  модель HSB

Цветовая  модель CIE Lab 

Цветовая  модель CMYK, цветоделение

Индексированный цвет, работа с палитрой

Программное обеспечение для работы с графикой 

Программные средства создания растровых изображений 

Программы векторной графики

Программы верстки

Особенности графической  информации и способы ее кодирования 

Графическая информация

Обработка изображений с помощью ЭВМ .

Основные  понятия трехмерной графики

Средства обработки трехмерной графики  

Устройства  ввода, обработки, распознавания, хранения, вывода, отображения    информации.

Визуализация  экономической информации.

 

Целью преподавания дисциплины "Компьютерная графика" является изучение студентами основ интерактивной машинной графики, программно-аппаратной организации компьютеров и основ их программирования, алгоритмов и методов двумерной и трехмерной машинной графики, а также получение представлений об основных направлениях компьютерной графики.

При изучении этой дисциплины закладываются  основы знаний и практических навыков, позволяющих реализовать возможности компьютерной графики на персональных компьютерах и использовать их во всех сферах деятельности пользователей.

 

Компьютерная графика в настоящее  время сформировалась как наука  об аппаратном и программном обеспечении для разнообразных изображений. Компьютерная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности и восприятия, передачи информации. Применяется в медицине, бизнесе, индустрии развлечений и т. д. Конечным продуктом компьютерной графики является изображение. Это изображение может быть техническим чертежом, иллюстрацией с изображением детали в руководстве по эксплуатации, простой диаграммой, архитектурным видом предполагаемой конструкции или проектным заданием, рекламной иллюстрацией или кадром из мультфильма.

Введение в  компьютерную графику.

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  большинства  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 бизнес и экономику, медицину   (компьютерная томография),   научные   исследования   (визуализация   строения   вещества, векторных полей и других данных), моделирование  тканей  и  одежды,  опытно-конструкторские разработки.

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.

В компьютерной графике рассматриваются следующие задачи:

1. Представление изображения в компьютерной графике;
2. Подготовка изображения к визуализации;
3. Создание изображения;
4. Осуществление действий с изображением.

Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью ЭВМ.

Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения.

Интерактивная компьютерная графика - это так же использование ЭВМ 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 - пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.

Достоинства графики:

• Наиболее естественные средства общения с ЭВМ;
• Хорошо развитый двухмерный и трехмерный механизм распознавания образов позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных. Как гласит старинная китайская пословица: "Одна картинка стоит 1000 слов";
• позволяет значительно расширить полосу пропускания при общении человека с ЭВМ за счет использования разумного сочетания текста, статических и динамических изображений по сравнению со случаями, когда можно работать только с текстами. Это расширение существенно влияет на возможность понимать данные, выявлять тенденции и визуализировать существующие или воображаемые объекты при обработке.

 

При обработке информации, связанной  с изображением, выделяют три основных направления:

1. Распознавание образов;
2. Обработка изображений;
3. Машинная и компьютерная графика.

Основная задача распознавания образов состоит в преобразовании уже имеющегося изображения на формально понятный язык символов. Распознавание образов или система технического зрения (COMPUTER VISION)– совокупность методов, позволяющих получить описание изображения, поданного на вход, либо отнести заданное изображение к некоторому классу (так поступают, например, при сортировке почты). Одной из задач COMPUTER VISION является так называемая склетизация объектов, при которой восстанавливается некая основа объекта, его «скелет».

Обработка изображений (IMAGE PROCESSING) рассматривает задачи в которых и входные и выходные данные являются изображениями. Примерами обработки изображений могут служить:

1. Передача изображений вместе  с удалением шумов и сжатием данных;

2. Переход от одного вида изображений  к другому;

3. Контрастирование различных снимков переход от одного вида изображения к другому (от цветного к черно-белому) и т.д.

Компьютерная (машинная) графика (COMPUTER GRAPHICS) воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информация не изобразительной природы, например, визуализация экспериментальных данных в виде графиков или гистограмм, вывод графики в компьютерных играх или синтез сцен для тренажеров. Можно сказать, что компьютерная графика рисует, опираясь на формульные представления, и имеет набор средств.

Компьютерная графика – это наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ. В том случае, если пользователь может управлять характеристиками объектов, говорят об интерактивной компьютерной графике.

Основные направления  компьютерной графики:

В нынешнем, устоявшемся состоянии  принято разделять компьютерную графику на следующие направления:

• изобразительная компьютерная графика;
• обработка и анализ изображений;
• анализ сцен (перцептивная компьютерная графика);
• компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика - графика, способствующая познанию).

Изобразительная компьютерная графика

Объекты: синтезированные изображения.

Задачи:

• построение модели объекта и генерация изображения;
• преобразование модели и изображения;
• идентификация объекта и получение требуемой информации;

Обработка и анализ изображений

Объекты: дискретное, числовое представление фотографий.

Задачи:

повышение качества изображения

оценка изображения - определение  формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов

распознавание образов - выделение  и классификация свойств объектов (обработка аэрокосмических снимков, ввод чертежей, системы навигации, обнаружения и наведения).

Итак, в основе обработки и анализа  изображений лежат методы представления, обработки и анализа изображений  плюс, естественно, изобразительная  компьютерная графика хотя бы для  того, чтобы представить результаты.

Анализ  сцен

Предмет: исследование абстрактных  моделей графических объектов и  взаимосвязей между ними. Объекты  могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках.

Первый шаг в анализе сцены - выделение характерных особенностей, формирующих графический объект(ы).

Примеры: машинное зрение (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего  объекта, например, сердца.

Итак, в основе анализа сцен (перцептивной компьютерной графики) находятся изобразительная графика + анализ изображений + специализированные средства.

Когнитивная компьютерная графика

Только формирующееся новое  направление, пока недостаточно четко  очерченное.

Это компьютерная графика для научных  абстракций, способствующая рождению нового научного знания. База - мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации.

Общая последовательность познания заключается  в, возможно циклическом, продвижении  от гипотезы к модели (объекта, явления) и решению, результатом которого является знание (рис. 0.1.1).

 

Рис. 0.1.1: Последовательность процесса познания

 

 

Человеческое познание использует два основных механизма мышления, за каждым из которых закреплена половина мозга:

• осознанное, логико-вербальное, манипулирует абстрактными последовательностями символов (объектов) + семантика символов + прагматические представления, связанные с символами. Возраст этого механизма, связанного с наличием речи, - до 100 тыс. лет:
• неосознанное, интуитивное, образное, работает с чувственными образами и представлениями о них. Возраст этого механизма - время существования на Земле животного мира.

Первоначально ЭВМ имели малую  производительность процессоров и  средств компьютерной графики, т.е. по сути дела имели возможность работы только с символами (некоторый упрощенный аналог логического мышления).

С появлением супер-ЭВМ, производительностью  в миллиард и более операций в  секунду и графических супер-станций, производительностью до сотен миллионов операций в секунду, появилась возможность достаточно эффективного манипулирования образами (картинами).