Введение

«Потенциальные возможности компьютерной графики грандиозны, ограничения же зависят от только от нашей фантазии. И чем она богаче, тем полнее раскрываются возможности компьютерной графики». Эти слова великого американского ученого Ликлайдера, сказанные десятки лет назад, по истине подтверждаются действительностью.

До недавнего времени компьютерная графика представляла собой весьма специфическое занятие, требующее дорогостоящей аппаратуры, значительных ресурсов памяти и своеобразного программного обеспечения.

В настоящее время сформировалась новая отрасль информатики – компьютерная графика. Ее можно определить как науку о математическом и геометрическом моделировании форм и размеров объектов, а также методов их визуализации.

Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью последних. Информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа.

Стремление визуализировать информацию наблюдается практически во всех сферах деятельности человека. И начиная с 60-х годов, которые считаются началом ее зарождения, до наших дней пройден большой путь. Сегодня можно наблюдать с экрана дисплея не только графики, диаграммы, чертежи, но и полноценные динамически изменяющиеся трехмерные объекты. Причем они соответствуют реальным объектам не только по форме и расположению, но и по цвету, фактуре, освещению. Все это позволяет проявлять все больший интерес к компьютерной графике, применяя ее для решения большого класса задач. Большинство специалистов, использующих компьютерную графику, уделяет особое внимание проблемам программирования, задачам конкретного проектирования, создания различных технических средств.

Целью данного учебного пособия является систематическое изложение математических методов и технических аспектов, лежащих в основе компьютерной графики. Применена единая система обозначений. Подробно изложены принципы построения графических систем, способы преобразования объектов, методов описания кривых и поверхностей. Особое внимание уделено геометрическому моделированию, так необходимому при проектировании технических объектов. Кроме этого представлена новейшая информация по визуализации объектов, получению реалистичных изображений, использовании освещения, теней, наложении рисунка и фактуры.

1. Общие сведения о компьютерной графике

1.1. История развития компьютерной графики

Методы вывода

Дисплейные (Д) устройства, разработанные в 60-х годах и используемые в настоящее время, называются векторными.

Они состоят:

• Дисплейный процессор (Пц).

• Буферная память.

• ЭЛТ.

а. б.

Рис. 1.1

Буфер служит для запоминания, подготовленного, дисплейного списка (или дисплейной программы. Дисплейная программа включает команды вывода точек, отрезков, литер. Эти команды интерпретируются дисплейным процессором, который преобразует цифровые значения в аналоговые напряжения, управляющие электронным лучом. Луч вычерчивает линии на люминофорном покрытии ЭЛТ. Так как светоотдача люминофора падает до нуля за десятки микросекунд, дисплейный процессор должен осуществлять цикл по заданной программе с целью регенерации изображения на люминофоре с частотой не меньше 30 раз в секунду для устранения мерцания. В связи с этим буфер, в котором хранится дисплейная программа называют буфером регенерации (рис. 1.1, а).

Команды перехода (JMP) обеспечивает возврат на начало дисплейной программы с целью обеспечения циклической регенерации.

В 60-х годах буферная память большого объема и быстрые дисплейные процессоры с частотой регенерации не меньшей 30 Гц были очень дорогими. В связи с этим важным этапом на пути обеспечения доступности машинной графики было создание в конце 60-х годов запоминающих ЭЛТ, которые позволили отказаться от буфера и регенерации (рис. 1.1, б).

В ЗЭЛТ изображение запоминается путем его однократной записи относительно медленно движущимся электронным лучом на запоминающую сетку с люминофором. Запоминающие трубки до сих пор применяются в тех случаях, когда надо вывести большое количество отрезков и литер и когда нет необходимости в динамических операциях с изображением.

В середине 70-х годов была изобретена дешевая растровая графика, основанная на телевизионной технике. В растровых дисплеях примитивы (отрезки литеры) хранятся в памяти для регенерации в виде совокупности образующих их точек, называемых пикселями (р). Изображение формируется на растре, представляет собой совокупность горизонтальных растровых строк, каждая из которых состоит из отдельных пикселов.

Таким образом, растр — это матрица пикселов, покрывающая всю площадь экрана. Все изображение последовательно сканируется 30 раз в секунду по отдельным строкам растра в направлении сверху вниз (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Недостатки:

• резко возрастает потребность в памяти, так как полное изображение, состоящее из большого числа пикселов должно храниться как битовая карта;

• разрешающая способность растровых графических систем пока еще ниже, чем векторных ( против пикселов);

• для отображения примитивов надо больше время, так как в векторных дисплеях задаются две конечные точки (для отрезка), а в растровом надо рассмотреть еще и все промежуточные точки отрезка.

Достоинства:

• растровая графика по сравнению с векторной лучше закрашивает изображения;

• процесс регенерации не зависит от сложности рисунка. Векторные же дисплеи часто начинают мерцать, когда число примитивов в буфере становится таким большим, что его нельзя считать и обработать за 1/30 с, в результате чего изображение регенерируется не достаточно часто;

• дешевизна.

Методы ввода

Параллельно с совершенствованием методов вывода улучшались и методы ввода. Громоздкое и хрупкое световое перо вытесняется тонкой указкой, которую перемещают по планшету, или же смонтированной на экране прозрачной сенсорной панелью, реагирующей на прикосновение. Кроме того, большие надежды возлагают на речевую связь, которая помогает вводить без помощи рук и выводить в естественном виде информацию.

Развитие программного обеспечения

Многие трудности в развитии программного обеспечения были связаны с примитивностью графического ПО. Процесс совершенствования ПО был длительным и медленным. Был пройден путь от аппаратно-зависимых пакетов низкого уровня, поставляемых изготовителем вместе с конкретными дисплеями, к аппаратно-независимым пакетам высокого уровня. Такие пакеты могут быть использованы для управления самыми разнообразными графическими устройствами. Основная цель аппаратно-независимого пакета — обеспечение мобильности прикладной программы при переходе от одной ЭВМ на другую.