КГ – 1 – Области применения компьютерной графики.

Основными областями применения компьютерной графики считаются: 1. Отображение информации. 2. Проектирование. 3. Моделирование. 4. Создание пользовательского интерфейса.

Для каждого направления создается специальное программное обеспечение, которое называют графическими программами, или графическими пакетами.

Научная графика – Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. (диаграммы, графики и т.д.).

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР. Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика – Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика – рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

КГ - 2 Компьютерная генерация видеоинформации и современные стандарты компьютерной графики.

Основная цель стандартизации - переносимость графических систем, которая достигается стандартизацией интерфейса между графическим ядром системы (базовой графической системой), реализующим собственно графические функции, и моделирующей системой - проблемно-ориентированной прикладной программой, использующей функции графического ядра. Базовая система должна обладать: независимостью от вычислительных систем; независимостью от языков программирования; независимостью от области применения; независимостью от графических устройств. ГС можно разделить на несколько слоев - прикладной, базисный и аппаратнозависимый. Каждый слой является виртуальным ресурсом для верхних слоев и может использовать возможности нижних слоев с помощью программных интерфейсов. Кроме того, гс могут обмениваться информацией с другими системами или подсистемами с помощью стандартизованных файлов или протоколов. Основные направления стандартизации:

1) базисные гс:

Стандартизация базисных гс направлена на обеспечение мобильностей прикладных программ и основана на концепции ядра, содержащего универсальный набор графических функций, общих для большинства применений.

Наиболее известными проектами по стандартизации базисных систем являются Core System, GKS, GKS-3D, PHIGS, PHIGS+. Основное направление развития этих проектов заключалось в усилении изобразительных возможностей для визуализации геометрических объектов (2D, 3D, удаление скрытых линий и граней, полутоновая закраска, текстурирование и пр.).

2) интерфейсы виртуального устройства;

Интерфейс виртуального устройства разделяет аппаратно-зависимую и аппаратно-независимую части гс. Интерфейс виртуального устройства может существовать в форме программного интерфейса и/или протокола взаимодействия двух частей гс. Наиболее четко концепция виртуального устройства представлена в проекте CGI.

Основными интерактивными устройствами стали растровые дисплеи, а устройствами для получения твердых копий - растровые принтеры. Это привело к необходимости выделения отдельного набора растровых функций, позволяющих использовать функциональные возможности растровых устройств.

Дальнейшее развитие растровых функций связано с появлением многооконных гс Х Window и MS Windows, обеспечивших удобные средства для манипулирования растровыми изображениями. Эти средства явились основой для развития систем обработки изображений и для организации эффективного многооконного пользовательского интерфейса с использованием меню, диалоговых панелей, полос просмотра и пр.

ГС класса 2D - GKS, MGKS, GKS-N, PostScript, CGI, Х Window System, Microsoft Windows, NeWs

ГС класса 3D - Core System, GKS-3D, XGKS, GEX, PHIGS, PHIGS+, РЕХ, OpenGL

3) форматы обмена графическими данными.

Растровые графические файлы стали активно применяться для хранения и транспортировки графической инфы, в системах обработки данных и подготовки научно-технической документации, использующих пк, а также лазерные и струйные печатающие устройства. Основными характеристиками растровых файлов являются метод упаковки (сжатия) информации и тип поддерживаемой цветовой модели. Примеры - GIF, TIFF, РСХ, ВМР, PIC, IMG, TGA, JPEG, MEPG, AVI

КГ – 3 - Варианты реализации и применение программно-аппаратных модулей интерактивных графических систем.

КГ – 4 - Современные программные пакеты компьютерной графики и их отличительные особенности, организация диалога в графических системах.

По назначению системы компьютерной графики можно разделить следующим образом:

• художественная иллюстрация (дизайн)

• техническая иллюстрация (САПР, инженерная графика)

• цветная печать

• подготовка страниц Web

• По видам компьютерной графики:

• Программные средства создания растровых изображений

• Программы векторной графики

• Программные средства обработки трехмерной графики

• Программы фрактальной графики (мало распространены, используются для специфических целей)

Программа растровой графики Adobe PhotoShop - Создание фотореалистических изображений, работа с цветными сканированными изображениями, ретуширование, цветокоррекция, коллажирование, трансформации и цветоделение и другое. Adobe PhotoShop располагает всеми традиционными методами работы с точечными изображениями, при этом имеет возможность работы со слоями и использует контуры.

Программы для работы с векторной графикой - Adobe Illustrator. Программа удобна для быстрой разметки страницы с логотипом и графикой — простого одностраничного документа, не содержащего текст. В программе порядка 50 фильтров. Фильтры позволяют создать спецэффекты и имитировать различные манеры художников

Corel Draw - приложение для векторного дизайна, создания макетов страниц, иллюстрирования и трассировки. Инструменты программы позволяют применять к объектам напрямую процедуры коррекции и эффекты. Простой процесс создания объектов и редактирования их характеристик. Можно редактировать объекты по базовым узлам, или трансформировать их при помощи любого инструмента создания объекта.

Программное средство обработки трехмерной графики 3D Studio Max - полнофункциональная система 3d графики, располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей с использованием разнообразных техник и механизмов (полигоны, B-сплайны, поверхности Безье, стандартные примитивы). Включает средства ренедеринга, анимации, текстурирования.

В отдельную группу можно выделить САПР (CAD). Система автоматизации проектных работ - программный пакет, предназначенный для создания чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей.

Среди САПР систем наиболее распространены AUTODESK AUTOCAD и АСКОН КОМПАС-3D. Недостаток системы AUTOCAD заключается в том, что она не учитывает российских промышленных стандартов в отличие от КОМПАС-3D.

1) Преобразование для точек и прямых.

Преобразование точек

Рассмотрим результаты матричного умножения матрицы [x y], определяющей точку P на плоскости, и матрицы преобразования 2x2 общего вида:

(2.1)

Эта запись означает, что исходные координаты точки P x и y преобразованы в x*,y*, где x*=ax+cy y*=bx+dy. Проведем анализ этого преобразования, рассматривая отдельные частные случаи.

1. a=d=1, c=b=0

то есть положение точки P не изменилось.

2. d=1, b=c=0

Рисунок 2.1 Рисунок 2.2

Получили изменение масштаба по оси: x*=ax или перемещение точки P по оси x. Если a>1, то происходит увеличение масштаба (перемещение вправо); если 0<a<1, то уменьшение масштаба (перемещение влево) (см. Рисунок 2.1).

Если a<0, то происходят аналогичные изменения, но с отображением относительно оси y (см. Рисунок 2.2).

3. a=1, b=c=0

Здесь происходят аналогичные изменения масштаба, но по оси y, и отображение (если d<0) относительно оси x.

4. b=c=0

Изменение масштаба (перемещение) происходит по обеим осям (если d<>a, то не одинаково), отображение, если a<0 или d<0, то относительно осей y или x соответственно, а если a=d<0 вместе, то относительно начала координат.

Рисунок 2.3 Рисунок 2.4

5. a=d=1, c=0

Координата x точки P* не изменяется, а координата y линейно зависит от начала координат. Этот эффект называется сдвигом (см. Рисунок 2.5)

Рисунок 2.5 Рисунок 2.6

6. a=d=1, b=0

Здесь все аналогично, но сдвиг происходит вдоль оси x пропорционально начала координате y (см. Рисунок 2.6).

В заключении отметим, что преобразование общего вида (2.1), примененное к началу координат, не изменяет положения начала координат

Иными словами, начало координат инвариантно к преобразованию 2x2. Это является недостатком такого преобразования, который будет преодолен введением обобщенных однородных координат.

Преобразование прямых линий

Прямая линия может быть задана координатами двух ее точек. Отрезок прямой задается координатами его концов.

Пусть координаты концов отрезка равны

A=[x₁ y₁], B=[x₂ y₂]

В результате преобразования 2x2 получим

Рисунок 2.8

На рисунке 2.8 показано преобразование сдвига по обеим осям для отрезка с координатами A=[0 1] и B = [2 3]. В результате получим

A* = [3 1], B* = [11 7],

то есть произошло изменение положения отрезка и увеличение его длины.

Преобразование отрезка можно записать в более компактной форме, представив его в виде матрицы координат концов

Тогда преобразованный отрезок получиться как

Итак, матрица преобразования 2x2 преобразует прямую линию в другую прямую. Говоря об отрезке, легко показать, что между точками исходного и преобразованного отрезка существует взаимно однозначное соответствие. Концы отрезка преобразуются в концы нового отрезка. Покажем, что средняя точка преобразуется в среднюю точку.

Координаты средней точки исходного отрезка равны

;

преобразованного отрезка

Применение преобразования 2x2 к точке M дает ,

то есть точку M*. Очевидно, что это соответствие выполнится для любой точки отрезка, делящей его в отношении 1/k (во всех выражениях вместо “2” подставить “k”), то есть вообще для любой точки отрезка.

При применении машинной графики для того, чтобы получить преобразованный отрезок, необходимо преобразовать его концы и соединить полученные точки.