Міністерство освіти України
Сєвєродонецький технологічний інститут
Східноукраїнський національний університет
Конспект лекцій
З курсу “Компьютерна графіка”
Сєвєродонецьк 2000
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Машинная графика. Основные понятия 6
1.1. Концептуальная модель машинной графики 6
1.2 Программирование 9
1.2.1 Координатные пространства 9
1.2.2 Текущее положение 10
1.2.3 Примитивы вывода и атрибуты. 10
1.2.4 Видовые операции 13
1.2.5 Относительные координаты 15
2 Преобразования в компьютерной графике 17
2.1 Общая архитектура графической системы 17
2.3 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 20
2.3.1 Основные математические операции 20
2.3.2 Двумерные преобразования 21
2.3.3 Однородные координаты и матричное представление двухмерных преобразований 23
2.3.4 Композиция двумерных преобразований. 26
2.3.5 Вопросы эффективности 27
2.4 растровая развертка примитивов. 28
2.4.1 Развеpтка векторов. Тангенсный алгоритм 28
2.4.2 Алгоритм Брезенхема 30
2.4.3 Растровая развертка окружностей 31
2.4.4 Заполнение областей 33
2.4.5 Отсечение примитивов вывода 35
2.4.6 Отображение окна на поле вывода 39
3. Технические средства мг 39
3.1. Архитектура систем МГ 39
3.2 Кадровое запоминающее устройство 44
3.3. Видеоконтроллеры 52
4. Трехмерная графика 55
4.1 Трехмерные координатные пространства. Матричное представление трехмерных преобразований 55
4.2 Изображения трехмерных объектов 59
4.3 Проекции 60
4.4 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ 62
4.4.1 Представление поверхностей полигональной сеткой 62
4.4.2 Задание плоскости 64
4.4.3 Бикубические поверхности 66
4.5. Алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей 68
4.5.1 Трехмерное отсечение 68
4.5.2. Удаление скрытых линий и поверхностей 70
4.6. Алгоритмы фотореалистичной закраски 72
4.6.1 Модель освещения 72
4.6.2. Однотонная закраска 75
4.6.3 Закраска методом Гуро 76
4.6.4 Метод закраски Фонга 77
4.6.5 Определение нормалей к поверхности, вершинам, ребрам 78
4.6.6 Определение вектора отражения 79
Введение
На протяжении последних десятилетий значительное развитие получила машинная обработка изображений, как одна из наиболее эффективных форм обработки информации.
В этой области обычно выделяют три основных направления :
1. Машинную графику или синтез изображения. Это создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений с помощью ЭВМ. Вход - описание объекта в виде прикладной модели, содержащей геометрические данные о координатах, атрибуты, данные о связности и положении объектов. Выход - изображение.
Интеpактивная МГ представляет собой важный раздел МГ, когда пользователь имеет возможность управлять изображением, его формой, размерами и цветом, содержанием с помощью интерактивных устройств взаимодействия, например клавиатуры, тpекболла, "мыши" и т.п.
2. Цифровую обработку изображений или улучшение изображений - подавление шумов, изменение контраста, выделение перепадов, геометрические преобразования и т.п. Вход - изображение, выход - изображение.
3. Анализ изображений или распознавание изображений - позволяет получить некоторое формализованное описание изображения (модель), или отнести изображение к определенному классу. Вход - изображение, выход - структурированное описание изображения.
Рис. 1. Взаимосвязь направлений машинной обработки изображений
На pис.1 сведены воедино отмеченные особенности этих трех направлений машинной обработки изображений [3]. Каждое из этих направлений имеет более чем двадцатилетнюю историю развития, однако их сходство привлекло внимание лишь недавно. Связь распознавания и обработки изображений была впервые осознана благодаря возможности осуществления таких преобразований изображения, в результате которых упрощается задача его классификации. Осознание наличия связи между этими двумя направлениями и машинной графикой произошло позднее.
К одному из классов задач, являющимся предметом общего интереса этих трех направлений, относится получение внутреннего представления изображений в ЭВМ: структуры данных, хранение и поиск, уплотнение.
Историю машинной графики принято отсчитывать с 1963 г., когда Иван Сазеpленд (США) продемонстрировал графическую систему, способную решать практически интересные задачи. За прошедшие годы МГ достигла впечатляющих успехов и продолжает бурно развиваться. Популярность МГ повидимому легче всего объяснить популярной русской пословицей - "лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать" и менее известной у нас, но не менее выразительной китайской мудростью - " одна картина стоит тысячи слов".
Области применения МГ чрезвычайно широки. Прежде всего это автоматизация чертежных и конструкторских работ, это деловая графика - экономические зависимости, гистограммы, линейные и круговые диаграммы, графики планируемых работ, моделирование и анимация, управление процессами и пр. Следует отметить еще одну сторону использования МГ. Получение графических изображений профессионального качества, радикальным образом упрощает вступление в область вычислительной техники большого количества людей - не профессионалов в области ВТ. Признание необходимости упростить процедуру работы с компьютером для огромной массы его пользователей оказало стимулирующее воздействие на разработку средств взаимодействия с пользователем на базе МГ (Рис. 2).
Современная техника обработки изображений начала серьезно развиваться в середине 60-х годов, когда военно-пpомышленный комплекс широко использовал мультиспектральный анализ результатов космического зондирования Земли. Сегодня обработка изображений переживает период экстенсивного развития. Основные области использования - цифровая радиография, цифровая кардиография, томография, робототехника, машинное зрение, неразрушающий контроль, сейсмический анализ, астрономия, исследования материалов, биология, дистанционное зондирование Земли с целью исследования возобновляемых и не возобновляемых природных ресурсов, метеорологии, экологии и пр.
Пpи чтении данного курса автор исходил из предпосылки, что студент должен изучить основные концепции, которые не подвергаются непрерывным изменениям и имеют существенное значение в течение достаточно большого промежутка времени. Эти концепции относятся как к основополагающим положениям машинной графики и обработки изображений, так и к программированию и техническим средствам. Инженеpу системотехнику по компьютерной технике приходится сталкиваться в практической деятельности со всеми этими сторонами. Так например, наличие на рынке готовых технических средств или программ, не означает, что инженер не должен уметь программировать или разработать (адаптировать) необходимое техническое устройство или программу.
Повидимому совершенно нереально предполагать, что в скором времени будут доступны как технические, так и программные средства для любой конкретной задачи. Поэтому знание концептуальных основ машинной графики и обработки изображений позволит инженеру самостоятельно решать практические задачи разработки и использования технических и программных средств в этих областях применения компьютерной техники.