Компьютерная графика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

 

«Компьютерная графика»

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………3

История развития компьютерной графики……………………………………4

Основные виды компьютерной графики………………………………………5

Двумерная графика (2D)………………………………………………………….5

Векторная графика………………………………………………………..5

Растровая графика…………………………………………………………6

Фрактальная графика……………………………………………………..8

Трехмерная графика (3D) …………………………………………………………8

Области применения компьютерной графики…………………………………9

Список использованных источников информации…………………………..11

 

 

Введение

В информатике существует специальная область, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, – компьютерная графика.

Компьютерная графика (также машинная графика) — область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Структура и методы компьютерной графики 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.

Сегодня компьютерная графика является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей информатики и во многих случаях выступает “локомотивом”, тянущим за собой всю компьютерную индустрию.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 медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки.

 

 

 

История развития компьютерной графики

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. Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 году программист С. Рассел возглавил  проект по созданию первой компьютерной игры с графикой («Космические войны»). В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта  и Н. Тейлора фирма Itek разработала  цифровую электронную чертёжную  машину.

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

Существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности  запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой  трубке.

Разработки в области компьютерной графики сначала двигались  лишь академическим интересом и шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в повседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой области.

 

 

 

Основные виды компьютерной графики

 

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на  категории: Двумерная графика (2D), в том числе растровая, векторная и фрактальная графика, и Трёхмерная графика (3D).

Постараемся охарактеризовать представленные категории компьютерной графики.

 

Двумерная графика (2D)

 

Двумерная компьютерная графика (2D —  от англ. two dimensions — «два измерения») классифицируется по типу представления  графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно двумерную компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений (см. рис. 1-3).

 

Векторная графика

 

Векторная графика представляет изображение  как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка (см. рис.4). Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Базовым элементом изображения в векторной графике является линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно, представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

Изображение в векторном формате  даёт простор для редактирования. Изображение может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов.

Вместе  с тем, не всякое изображение можно  представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания.

Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Для растровых изображений, состоящих  из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать:

• разрешение оригинала;
• разрешение экранного изображения;
• разрешение печатного изображения.

Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений. Без особых потерь растровые изображения можно только лишь уменьшать, хотя некоторые детали изображения тогда исчезнут навсегда, при их увеличении же (если не приняты специальные меры) становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (см. рис.5).

Характеризуя этот тип компьютерной графики, можно сказать, что растровом виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании.

 

 

 

Рис.1

 

 Растровая графика

Рис. 2.

 

 

Фрактальная графика

 

Рис.3

 

 

 

Рис. 4 Объекты векторной графики

 

 

Рис. 5 Эффект пикселизации при масштабировании растрового изображения

 

 

 

 

 

Фрактальная графика

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом  фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное  описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют описывать  целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти. С другой стороны, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

С помощью применения фрактальной  графики строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.

Трехмерная графика

Отдельным предметом считается  трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве.

Трёхмерная графика (3D — от англ. three dimensions — «три измерения») оперирует  с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений (см. рис.6).

 

Рис. 6. Трехмерная графика

Трехмерная графика нашла широкое  применение в таких областях, как научные расчеты а также широко используется в кино, компьютерных играх. Благодаря применению трёхмерной компьютерной графики возможно создание спецэффектов в кинематографе, телевидении и симуляторах, которые невозможно получить при помощи традиционного грима и аниматроники. Таким образом, трехмерная графика может заменить декорации и работу каскадёров и статистов.

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.

В трёхмерной компьютерной графике  все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). В компьютерной графике используется три вида матриц: матрица поворота, матрица сдвига, матрица 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/масштабированный относительно исходного.

 

Области применения компьютерной графики

 

Кратко опишем основные области  применения компьютерной графики

1. Научная графика

Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить  строить виртуальные модели различных процессов, проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

2. Деловая графика

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы.