М
іністерство
освіти і науки України
Харківський НАЦІОНАЛЬНИЙ університет
будівництва та архітектури
М.В. Новожилова, В.В. Мироненко
КОМП’ЮТЕРНА ГРАФІКА
Частина 1
Навчально-методичний посібник
Харків 2015
Міністерство освіти і науки України
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
М.В. Новожилова, В.В. Мироненко
КОМП’ЮТЕРНА ГРАФІКА
Частина 1
Рекомендовано
науково-методичною радою університету
як навчально-методичний посібник
для студентів напряму підготовки 6.050101
“Комп’ютерні науки”
Харків 2015
ББК 004
Н 15
УДК 00492
Рецензенти:
Н.Д.Сізова д.ф.- м.н., професор каф. економічної кібернетики та інформаційних технологій (ХНУБА)
І.В. Гребеннік, д.т.н., проф. завідувач каф. системотехніки (ХНУРЕ)
Рекомендовано кафедрою економічної кібернетики
та інформаційних технологій,
протокол № 8 від 25.05.15
Затверджено науково-методичною радою університету,
протокол № 8 від 28.05.15
Н- 15 Новожилова М.В., Мироненко В.В. Комп’ютерна графіка. Частина1: Навчально-методичний посібник. – Х.: ХНУБА, 2015.– 60 с.
Викладено основні поняття комп’ютерної графіки. Дано опис технічних засобів для введення/виведення графічної інформації. Розглянуті питання природи світла, механізм сприйняття кольору та систем відтворення кольору, методи зафарбовування:плоске зафарбовування, методи Гуро, метод Фонга.
Даний навчально-методичний посібник призначено для набуття навиків
формування зображення в сучасних пристроях, компетенції з існуючих програмних систем машинної графіки і сфери їх застосування та вмінь використання математичного апарату при побудові графічних зображень.
Іл.32 ; бібліограф. назв 14
ББК 004
© М.В. Новожилова, В.В. Мироненко,
ВСТУП
Навчальна дисципліна «Комп’ютерна графіка» є обов’язковою дисципліною навчального плану для бакалаврів напряму підготовки 6.050101 «Комп'ютерні науки».
У процесі освоєння дисципліни «Комп’ютерна графіка» студент набуває знань принципів формування зображення в сучасних пристроях введення/виведення графічної інформації, компетенції з існуючих програмних систем машинної графіки і сфери їх застосування та вмінь використання математичного апарату при побудові графічних зображень.
Метою даного навчально-методичного посібника є системне надання знань у галузі комп'ютерної графіки, всебічний огляд усіх важливих аспектів обробки графічної інформації. Обсяг цієї інформації достатньо об’ємний, тому автори вважають доцільним розділити посібник на дві частини.
Перша частина складається з трьох розділів.
Перший розділ присвячений введенню в предметну галузь комп'ютерної графіки, дано поняття комп'ютерної графіки, наведено опис основних сфер застосування, визначено основні поняття даної наукової дисципліни в її генезисі.
У другому розділі даний опис технічних засобів для введення/виведення графічної інформації: сканери, графічні планшети, цифрові камери, дисплеї і різні друкуючі пристрої. Розглянуто найбільш поширені мови принтерів таких, як HP, PS, а також формат електронних публікацій – PDF.
У третьому розділі наводиться опис корпускулярно-хвильової природи світла, механізм сприйняття кольору та систем відтворення кольору. Надається опис та порівняння основних колірних моделей, які застосовуються під час роботи з оцифрованими зображеннями і дається зіставлення колірних моделей. Розглядаються питання освітлення і світла, дифузна і дзеркальна моделі світла, методи зафарбовування: плоске зафарбовування, методи Гуро, метод Фонга, метод з урахуванням показника заломлення.
Навчально-методичний посібник призначений для підготовки студентів напряму «Комп'ютерні науки» за спеціальністю «Інформаційні управляючі системи та технології в будівництві та архітектурі».
Посібник може бути корисний для фахівців в галузі комп’ютерної графіки, а також для студентів комп'ютерних спеціальностей таких, як інформаційні системи в будівництві і архітектурі, інформаційні системи в менеджменті, комп'ютерні системи та мережі та інші.
1 Введення в комп'ютерну графіку
В комп’ютерній графіці вивчаються методи візуалізації об’єктів різної природи з використанням засобів обчислювальної техніки і методів обробки графічної інформації.
В даному розділі розглядаються предмет і напрямки застосування комп'ютерної графіки. Наведена коротка історія її розвитку.
Загальні положення
Комп'ютерна графіка – це область інформатики, яка охоплює всі засоби і методи формування та обробки зображень за допомогою комп'ютерів. Предметом її вивчення є створення, зберігання і обробка комп’ютерних графічних моделей.
Зображення – це візуальне подання реального об'єкта, зафіксованого людиною за допомогою деякого механічного, електронного, фотографічного процесу. В комп'ютерній графіці зображенням вважається об'єкт, що сприймається пристроєм виведення. В даний час засоби комп'ютерної графіки дозволяють створювати реалістичні зображення, що не поступаються фотографічним знімкам.
З'явившись у 50-х роках минулого століття, за останні кілька десятиліть комп'ютерна графіка пройшла шлях від викреслювання простих ліній і відрізків до побудови віртуальної реальності та створення повнометражних кінофільмів.
Комп'ютерна графіка використовується практично у всіх наукових і інженерних дисциплінах для наочної візуалізації отриманих результатів.
Як науковий напрямок комп'ютерна графіка оформилася на основі наступних галузей знань:
аналітична, диференціальна та нарисна геометрія;
– обчислювальна математика і засоби сучасного програмування;
– електроніка і точне приладобудування.
Напрямки застосування комп'ютерної графіки
Очевидно, що розвиток комп'ютерної графіки зумовлено двома причинами: реальними потребами потенційних користувачів і досягненнями в апаратному та програмному забезпеченні.
Виділяють чотири напрямки застосування комп'ютерної графіки:
відображення інформації,
– проектування та моделювання,
– інтерфейс користувача,
– комп'ютерна графіка в індустрії розваг.
У різних практичних додатках можна побачити поєднання ознак двох і більше перелічених напрямів, але розвиток кожного з них йшов своїм шляхом.
1.2.1 Відображення інформації
Графічні технології розвивалися в людському суспільстві як засіб передачі інформації з давніх часів. Ще 3000 років тому стародавні вавилоняни використовували графічні плани під час будівництва кам'яних споруд. Стародавні греки ще наприкінці першого тисячоліття до н.е. оформляли архітектурні ідеї в графічному вигляді, хоча відповідні математичні методи з'явилися тільки в епоху Ренесансу (Європа ХІV–XVI століття). Сьогодні подібна інформація створюється архітекторами, конструкторами і дизайнерами за допомогою комп'ютерних технологій.
Графічне подання емпіричних даних у статистиці є найбільш інформативним. Комп'ютерні програми обробляють зібрані дані і формують відповідні графіки, діаграми, структурні схеми із застосуванням кольору.
Геоінформаційні систем (ГІС), як різновид системи комп'ютерної графіки, дозволяють отримати карту об’єктів місцевості, населених пунктів, доріг, споруд тощо і виконати в Internet редагування цих об'єктів з урахуванням їх розташування на поверхні землі.
Візуалізація наукових досліджень. У даній сфері пройдений шлях від побудови графіків найпростіших функцій до подання на екрані комп'ютера інформації, яка не може бути сприйнята органами почуттів людини. Наприклад, в медицині результати томографії, магніторезонансного обстеження, ультразвукового зондування та інших сучасних методів дослідження дозволяють отримати візуальну тривимірну інформацію. Ця інформація згодом обробляється за допомогою комп’ютерних алгоритмів.
В астрономії – це подання інформації, отриманої за допомогою радіотелескопів й інших не оптичних приладів.
Створення візуальних геометричних образів допомагає краще зрозуміти суть технологічних процесів. Більш того, сучасні засоби обробки результатів досліджень дозволяють побачити не тільки статичний «знімок» результатів досліджень, а й побудувати на їх основі модель розвитку процесу в часі або в просторі і провести їх аналіз. Наприклад, можна змоделювати рух потоку рідини або вихровий процес в атмосфері.