Виды компьютерной графики и области их применения

Основные данные о работе

Версия шаблона	1.1
Филиал
Вид работы	Творческая работа
Название дисциплины	Инженерная и компьютерная графика
Тема	Виды компьютерной графики  и области их применения
Фамилия студента
Имя студента
Отчество студента
№ контракта

 

Содержание

Основная часть………………………………………...………………………….3

1. Понятие «компьютерная графика» и ее виды………………………….3
2. Растровая (пиксельная) графика………………………………………...5
3. Векторная графика………………………………………………………...6
4. Фрактальная графика……………………………………………………..7
5. Трехмерная (3D) графика…………………………………………………8
6. Основные области применения компьютерной графики…………….9

Основная часть

1. Понятие  «компьютерная графика» и ее  виды.

Визуализация – это  естественная, природная, исходная часть  развития человека, начиная с раннего  детства. Поэтому пространственное воображение является фундаментальной составляющей профессиональной деятельности не только в технике, архитектуре, но и в науке, в бизнесе и банковском деле. Следовательно, увеличивается значение геометрической и графической подготовки в образовательной сфере, расширяется область применения иллюстративной и деловой графики с учетом общей тенденции к визуализации любой информации. И в наше время с этими задачами справляется компьютерная графика.

Компьютерная графика представляет собой одну из современных технологий создания различных изображений с помощью аппаратных и программных средств компьютера, отображения их на экране монитора и затем сохранения в файле или печати на принтере. Но так было не всегда. Первоначально программисты научились получать рисунки в режиме символьной печати. На бумажных листах с помощью символов (звездочек, точек, крестиков, букв и так далее) получались рисунки, напоминающие мозаику, и даже умудрялись получать художественные изображения. Затем появились устройства для графического вывода на бумагу – графопостроители (плоттеры). С их помощью на лист бумаги чернильным пером наносятся графические изображения: графики, диаграммы, технические чертежи и прочее. Но настоящая революция произошла в этом направлении с появлением графических дисплеев, на экране которого стало возможным получать рисунки, чертежи в таком же виде, как на бумаге с помощью карандашей, красок, чертежных инструментов. А сегодня без компьютерной графики невозможно себе представить не только компьютерный, но и материальный мир. Так как визуализация данных находит применение в самых разных сферах нашей деятельности, например, в медицине – компьютерная томография; научные исследования – визуализация строения вещества, векторных полей и других данных.

Компьютерная графика – раздел информатики, занимающийся проблемами создания и обработки на компьютере графических изображений.

 

Компьютерная графика включает в себя следующие основные понятия:

1. Разрешение экрана. Это свойство  компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows). Измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком.

2. Разрешение принтера. Это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

3. Разрешение изображения. Это свойство самого изображения. Измеряется в точках на дюйм и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связан  с другим свойством – его физическим размером.

4. Физический размер изображения  измеряется как в пикселях, так  и в единицах длины. Создается  при создании изображения и  хранится вместе с файлом.

5. Цветовое разрешение. Определяет  метод кодирования цветовой информации  и от него зависит то, сколько цветов на экране может отображаться одновременно.

6. Цветовая модель. Это способ  разделения цветового оттенка  на составляющие компоненты. Существует много различных типов цветовых моделей, но основными являются: аддитивная модель цвета RGB, субтрактивная модель цвета CMYK, модель цвета HSB.

7. Цветовая палитра. Это таблица  данных, в которой хранится информация  о том, каким кодом закодирован  тот или иной цвет. Самый удобный  для компьютера способ кодирования  цвета – 24-разрядный, True Color.

 

В компьютерной графике применяют примерно три десятка форматов файлов для хранения изображений, например, BMP, GIF, TIF, JPEG, PCX, WMF, CUR и другие. Существуют файлы, которые кроме статических изображений, могут содержать анимационные клипы и звуки, например, GIF, PNG, AVI, MPEG и другие.

Приложения компьютерной графики  очень разнообразны. Для каждого  направления создается специальное  программное обеспечение, которое  называется графическими программами  или графическим пакетом. Среди  популярных графических редакторов есть простые редакторы, например, Paint и мощные профессиональные, такие как, CorelDraw и Photoshop.

Несмотря на  то, что для работы с компьютерной графикой существует множества классов программного обеспечения, различают всего три  вида компьютерной графики: растровая, векторная и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. Правомерна и другая классификация: двухмерная и трехмерная (3D) графика.

2. Растровая (пиксельная) графика.

Растр – прямоугольная  сетка точек, формирующих изображение  на экране монитора. Каждая точка растра характеризуется двумя параметрами: своим положением на экране и своим  цветом, если монитор цветной, или  степенью яркости, если монитор черно – белый. Растровая графика представляет изображения в виде массива цифр, поэтому при большом увеличении все изображения выглядят как мозаика (сетка), состоящая из мельчайших ячеек. Сама сетка называется растровой картой, а элементы, ее формирующие, называются пикселями. Пиксель – мельчайший элемент изображения, воспроизводимый компьютером. Следовательно, растровая графика описывает изображения с использованием пикселей, расположенных на сетке. Отличительными особенностями пикселя являются его однородность (все пиксели по размеру одинаковы) и неделимость (внутри пикселя не существует более мелких элементов). Так как пиксели малы, то человеческий глаз воспринимает «пиксельную мозаику» как одно целое изображение. А при масштабировании растровых изображений возникают искажения – ступеньки. Растровые редакторы позволяют частично убрать эти искажения за счет применения специальных алгоритмов обработки. Существует множество графических редакторов. Некоторые из них, такие как Adobe Photoshop, предназначены для профессиональной работы с графикой и стоят немалых денег. А, например Paint, встроенный в OC Windows, доступен для работы каждому пользователю, но его возможности не велики.

Основные форматы, применяемые в растровой графике: PCX, BMP, GIF, PNG, JPEG, TIFF, PSD и другие.

3. Векторная  графика.

Векторная графика –  вид компьютерной графики, в которой  изображение представляется в виде совокупности отдельных объектов, описанных математически. Как в растровой графике основным элементом изображения является точка, так в векторной графике основным элементом изображения является линия. Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинация точек. Для каждой точки линии в растровой графике отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек  им выделяется). Соответственно, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. А количество ячеек остается неизменным. Основные виды линий в векторной графике: прямые линии, кривые второго порядка, кривые третьего порядка, кривые Безье.

Основные достоинства  векторной графики: изменение масштаба без потери качества и практически без увеличения размеров исходного файла; огромная точность; небольшой размер файла по сравнению с растровыми изображениями; высокое качество печати; отсутствие проблем с экспортом векторного изображения в растровое; возможность редактирования каждого элемента изображения в отдельности.

Основные недостатки: сложность экспорта из растрового в векторный формат; невозможность применения обширной библиотеки эффектов, используемых при работе с растровыми изображениями.

Программные средства для  работы с векторной графикой предназначены больше для создания иллюстраций, чем для их обработки. Основные редакторы векторной графики: XFig, Adobe Illustrator, CorelDraw, Macromedia FreeHand.

Векторный формат более  компактный, но он совершенно не пригоден для хранения фотографических изображений. В этом формате задавать их математически было бы очень громоздко. А вот рисунки и чертежи гораздо удобнее и практичнее делать в векторном виде. Основные форматы файлов векторной графики: PostScript, EPS, PDF, AI, FH, CDR и другие.

4. Фрактальная  графика.

Понятие фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х годов, с середины 80-х годов прочно вошли в обиход математиков и программистов. Самыми известными фрактальными объектами являются деревья: от каждой ветки ответвляются меньшие, похожие на нее, а от тех – еще меньшие и так далее. По отдельной ветке математическими методами можно проследить свойства всего дерева. Фрактальными свойствами обладают многие природные объекты: снежинка при увеличении оказывается фракталом; по фрактальным алгоритмам растут кристаллы и растения. Если посмотреть на береговую линию моря на картах все более крупного масштаба, то становятся видны все новые изгибы и изломы, похожие на более крупные.

Роль фракталов в  машинной графике сегодня достаточно велика. Они приходят на помощь, например, когда требуется, с помощью нескольких коэффициентов, задать линии и поверхности очень сложной формы. С точки зрения машинной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически найден способ легкого представления сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. В самом простом случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале. Фрактал – структура, состоящая из частей, которые, в каком - то смысле подобны целому. Такое определение фракталу дал Мандельброт.

Основные виды фракталов: геометрические, алгебраические, стохастические.

Способность фрактальной  графики моделировать образы живой  природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

5. Трехмерная (3D) графика.

Трехмерная графика  – построение на компьютере, с помощью  специальных программ, пространственной модели, состоящей из простых и  сложных геометрических форм, присвоение этой модели фактуры, цвета, степени прозрачности и матовости, придание ей и условной камере движения в виртуальном пространстве, расстановка в этом пространстве источников света и, наконец, просчет выстроенной сцены. Применяется при создании рекламы, интерактивных игр, визуальных спецэффектов в киноиндустрии, промышленного и архитектурного дизайна, компьютерных тренажеров и обучающих программ и так далее.

Трехмерная графика  изучает приемы и методы создания объемных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объемные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объемных изображений используют разные графические фигуры и поверхности. При помощи их сначала создается каркас объекта, потом его поверхность покрывают материалами, визуально похожими на реальные. После этого делают осветление, гравитацию, свойства атмосферы и другие параметры пространства, в котором находится объект. Для двигающихся объектов указывают траекторию движения и скорость.

Чаще всего программы  трехмерного моделирования предоставляют  следующие варианты пространств: пространство объекта, мировое пространство, видовое  пространство, экранное пространство, UVW – параметрическое пространство.

В первом приближении  все создаваемые трехмерные объекты можно разделить на геометрические и негеометрические. Первые используются для моделирования объектов вещественного мира (персонажей и предметов). Вторые применяются для придания сцене реалистичности (правильное освещение, блики, тени, ускорения, гравитация и так далее).

6. Основные  области применения компьютерной  графики.

Современное применение компьютерной графики очень разнообразно. Рассмотрим основные области применения компьютерной графики.

Научная графика –  это направление появилось самым первым. Назначение – визуализация объектов научных исследований, графическая обработка результатов расчетов, проведение вычислительных экспериментов с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика –  область компьютерной графики, предназначенная для создания иллюстраций, часто используемых в работе различных учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статические сводки – вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстрации. Чаще всего это графики, круговые и столбчатые диаграммы.

Конструкторская (инженерная) графика  – используется в работе инженеров  и конструкторов. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом систем автоматизации проектирования (САПР). Графика в САПР используется для подготовки технических чертежей проектируемых устройств. Графика в сочетании с расчетами позволяет проводить в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции. Средствами конструкторской графики можно получать плоские изображения и пространственные, трехмерные изображения.

Полиграфия – совокупность технических  средств для множественного репродуцирования текстового материала и графических  изображений. Специалист, работающий в этой области, должен не только знать программы верстки и графические редакторы, но и разбираться в допечатной подготовке издания.