Описание основных понятий компьютерной графики для студентов Гуманитарного факультета

Наиболее  совершенный  метод  анимации  заключается  в фиксации  реальных движений  физического  объекта.   Например, на человеке  закрепляют   в контрольных точках яркие источники света  и  снимают  заданное  движение  на видео- или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят  с  пленки в компьютер и присваивают соответствующим опорным точкам  каркасной  модели.

В результате движения имитируемого объекта практически  неотличимы от  живого прототипа.

Процесс  расчета  реалистичных  изображений  называют  рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ  рендеринга  основаны  на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение  сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические  эффекты,  как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. По завершении  рендеринга  компьютерную трехмерную анимацию используют либо  как  самостоятельный  продукт,  либо  в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.

Особую  область  трёхмерного  моделирования  в  режиме   реального   времени составляют тренажеры технических средств – автомобилей,  судов,  летательных и  космических  аппаратов.  В  них  необходимо  очень  точно   реализовывать технические параметры объектов и свойства  окружающей  физической  среды.  В более  простых  вариантах,   например   при   обучении   вождению   наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные  на  сегодняшний  день  устройства  созданы  для  обучения пилотированию  космических  кораблей  и   военных   летательных   аппаратов.

Моделированием и визуализацией  объектов в таких тренажерах заняты  несколько специализированных  графических  станций,  построенных   на   мощных   RISC- процессорах  и  скоростных   видеоадаптерах   с   аппаратными   ускорителями трехмерной  графики.  Общее  управление   системой   и   просчет   сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из  десятков  и  сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается  девятизначными  цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение  на  реальных аппаратах в десятки раз дороже.

Области применения компьютерной графики

Как уже отмечалось, компьютерная графика стала основным средством  взаимодействия человека с ЭВМ. Важнейшими сформировавшимися областями приложений являются:

• компьютерное моделирование, которое явилось исторически первым широким приложением компьютерной графики,
• системы автоматизации научных исследований, системы автоматизации проектирования, системы автоматизации конструирования, системы автоматизации производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами,
• бизнес,
• искусство,
• средства массовой информации,
• досуг.

В настоящее время появилось  новое, очень интересное приложение компьютерной графики - виртуальная реальность.

По телевидению часто можно  видеть передачи иллюстрирующие приложения компьютерной графики в автоматизации  проектирования (были передачи об автоматизированном проектировании самолетов, автомобилей), много передач об автоматизации производства с различными робототехническими системами.

Передачи о мире бизнеса практически  не обходятся без показа различной  дисплейной техники и ее использования.

Что касается искусства, то достаточно упомянуть, что один из самых крупных  первых суперкомпьютерных центров мира находился на студии Уолта Диснея и использовался для подготовки мультфильмов. Всем известно, что многие "жутики" и боевики также готовились с широким использованием средств компьютерной графики для подготовки высокореалистичных сцен.

Применение компьютерной графики  в средствах массовой информации мы видим ежедневно, как в виде различных заставок и телеэффектов на экране, так и в виде газет, при подготовке многих из которых  используется электронная верстка  на компьютере.

С компьютерными играми, отнимающими не только время досуга, конечно же знаком каждый.

Поэтому здесь мы рассмотрим, в  основном, приложения компьютерной графики  в компьютерном моделировании, а  также немного познакомимся с  самым новым приложением - системами  виртуальной реальности.

Закон Мэрфи

Любая действующая программа устарела.

Сам по себе компьютер, даже в самой  полной комплектации, не выполняет  никаких действий и не обладает знаниями ни в одной области своего применения. Все действия определяются программами и все "знания" также сосредоточены в программах.

Программный уровень (software) настольных издательских систем характеризуется  еще более бурным развитием, чем  это отмечалось в аппаратной части, хотя некоторые программные приложения (application) существуют уже добрый десяток лет.

Для дизайнеров и специалистов, занимающихся изобразительными видами информации, можно выделить следующие основные классы программного обеспечения:

• программы пиксельной графики;
• программы векторной графики;
• программы верстки;
• программы трехмерной графики.

Помимо этого, может оказаться  востребованной большая совокупность дополнительного, вспомогательного программного обеспечения, начиная с самой  операционной системы и кончая разнообразными мелкими утилитами и плагинами (plug-in). К вспомогательной категории относятся программы для работы со шрифтами, просмотрщики (viewer), преобразователи форматов файлов (конвертеры), браузеры, архиваторы и многое другое.

Скорее всего, большим преувеличением будет назвать операционную систему (ОС) вспомогательной программой, но с точки зрения пользователя графических программ она не является объектом основного внимания, и, как правило, интерес к ней обретается на периферии. Разумеется, недостаточное знание операционной системы способно доставить пользователю множество лишних хлопот.

Представление графических данных. Форматы графических данных.

В компьютерной графике  применяют  по  меньшей  мере  три  десятка  форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом  “де- факто” и  применяется  в  подавляющем  большинстве  программ.  Как  правило, несовместимые  форматы  имеют   файлы   растровых,   векторных,   трехмерных изображений, хотя существуют  форматы,  позволяющие  хранить  данные  разных классов. Многие  приложения  ориентированы  на  собственные  “специфические” форматы,  перенос  их  файлов  в  другие  программы  вынуждает  использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в “стандартный” формат.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат предназначен для хранения  растровых изображений высокого качества (расширение имени  файла  .TIF).  Относится  к числу широко распространенных, отличается переносимостью  между  платформами (IBM PC и Apple Macintosh),  обеспечен поддержкой  со  стороны большинства графических, верстальных и дизайнерских  программ.  Предусматривает  широкий диапазон цветового охвата – от  монохромного  черно-белого  до  32-разрядной модели цветоделения CMYK. Начиная с версии 6.0 в формате TIFF можно  хранить сведения о масках (контурах обтравки) изображений.  Для  уменьшения  размера файла применяется встроенный алгоритм сжатия LZW.

PSD (PhotoShop  Document).  Собственный   формат  программы  Adobe  Photoshop (расширение имени файла .PSD),  один  из  наиболее  мощных  по  возможностям хранения растровой графической информации.  Позволяет  запоминать  параметры слоев, каналов, степени прозрачности, множества  масок.  Поддерживаются  48-разрядное кодирование  цвета,  цветоделение  и  различные  цветовые  модели. Основной недостаток выражен в том,  что  отсутствие  эффективного  алгоритма сжатия информации приводит к большому объему файлов.

PCX. Формат появился как   формат  хранения  растровых   данных  программы  PC PaintBrush фирмы Z-Soft  и является  одним из  наиболее  распространенных (расширение имени файла .PCX). Отсутствие возможности хранить цветоделенные изображения, недостаточность цветовых моделей и другие  ограничения  привели к утрате популярности формата. В настоящее время считается устаревшим.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат  предназначен  для  хранения растровых изображений (расширение имени файла .JPG). Позволяет  регулировать соотношение  между  степенью   сжатия   файла   и   качеством   изображения. Применяемые методы сжатия  основаны  на  удалении  “избыточной”  информации, поэтому формат рекомендуют использовать только для электронных публикаций.

GIF  (Graphics  Interchange  Format).  Стандартизирован  в  1987  году   как средство хранения  сжатых  изображений  с  фиксированным  (256)  количеством цветов (расширение имени  файла  .GIF).  Получил  популярность  в  Интернете благодаря высокой степени сжатия. Последняя версия формата GIF89a  позволяет выполнять  чересстрочную  загрузку  изображений  и   создавать   рисунки   с прозрачным   фоном.   Ограниченные   возможности   по   количеству    цветов обусловливают его применение исключительно в электронных публикациях.

PNG (Portable  Network  Graphics).  Сравнительно  новый  (1995  год)  формат хранения изображений для их публикации в Интернете (расширение  имени  файла .PNG). Поддерживаются три типа изображений – цветные с глубиной  8  или 24 бита и черно-белое  с  градацией  256  оттенков  серого.  Сжатие  информации происходит практически без потерь, предусмотрены  254  уровня  альфа-канала, чересстрочная развертка.

WMF (Windows MetaFile). Формат  хранения векторных  изображений   операционной системы   Windows   (расширение   имени   файла   .WMF).   По   определению поддерживается всеми приложениями этой системы.  Однако  отсутствие  средств для  работы  со  стандартизированными  цветовыми  палитрами,   принятыми   в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение.

EPS  (Encapsulated  PostScript).  Формат  описания  как   векторных, так и растровых  изображений  на  языке  PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте в области допечатных  процессов  и  полиграфии  (расширение  имени файла .EPS). Так как язык PostScript является универсальным, в  файле  могут одновременно  храниться  векторная  и  растровая  графика,  шрифты,  контуры обтравки (маски), параметры калибровки оборудования, цветовые  профили.  Для отображения на экране векторного  содержимого  используется  формат  WMF,  а растрового –  TIFF.  Но  экранная  копия  лишь  в  общих  чертах  отображает реальное   изображение,   что  является   существенным   недостатком   EPS. Действительное изображение  можно  увидеть   лишь   на   выходе   выводного устройства,   с   помощью   специальных   программ   просмотра   или   после преобразования файла в формат PDF  в  приложениях  Acrobat  Reader,  Acrobat Exchange.

PDF (Portable Document Format). Формат  описания  документов,  разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла .PDF).  Хотя  этот  формат  в  основном предназначен для хранения документа целиком,  его  впечатляющие  возможности позволяют обеспечить эффективное представление изображений. Формат  является аппаратно-независимьм,  поэтому  вывод   изображений   допустим   на  любых устройствах – от экрана монитора до  фотоэкспонирующего  устройства.  Мощный алгоритм сжатия со средствами управления  итоговым  разрешением  изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций.

Цвет  и цветовые модели.

Цвет аддитивный и субтрактивный.

Аддитивный цвет получается при соединении света разных цветов. В этой схеме отсутствие всех цветов представляет собой чёрный цвет, а присутствие всех цветов - белый. Схема аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например, монитор компьютера.

В схеме субтрактивных цветов происходит обратный процесс. Здесь получается какой-либо цвет при вычитании других цветов из общего луча света. В этой схеме белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие даёт чёрный цвет. Схема субтрактивных цветов работает с отражённым светом.

В  компьютерной  графике  применяют  понятие  цветового  разрешения  (другое название  –  глубина  цвета).  Оно  определяет  метод  кодирования  цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Для отображения черно- белого  изображения  достаточно   двух   бит   (белый   и   черный   цвета). Восьмиразрядное кодирование  позволяет  отобразить  256  градаций  цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65 536 оттенков  (такой  режим  называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называют С практической точки зрения цветовому  разрешению  монитора  близко  понятие цветового охвата. Под ним подразумевается  диапазон  цветов,  который  можно воспроизвести с помощью того или иного устройства вывода (монитор,  принтер, печатная  машина  и  прочие).  В  соответствии  с  принципами   формирования изображения  аддитивным  или  субтрактивным  методами  разработаны   способы разделения  цветового  оттенка  на   составляющие   компоненты,   называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют  модели  RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK  (для  печати копии  изображения  на  полиграфическом   оборудовании).   Цветовые   модели расположены   в   трехмерной  системе   координат,   образующей    цветовое пространство, так как из законов Гроссмана следует, что цвет можно  выразить точкой в трехмерном пространстве.

Первый  закон  Грассмана  (закон трехмерности).   Любой   цвет   однозначно выражается  тремя  составляющими,  если  они  линейно  независимы.  Линейная независимость заключается  в  невозможности  получить  любой  из  этих  трех цветов сложением двух остальных.

Второй  закон Грассмана  (закон непрерывности).  При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого  цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.