2682

3

УДК 681.3.068

Чевычелов, Ю. А. Компьютерная графика [электронный ресурс] : методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 35.03.02 - Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств / Ю. А. Чевычелов, И.С. Кущева , Т.В. Скворцова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТУ» им. Г.Ф. Морозова. - Воро-

неж, 2018. - с. 28.

4

ВВЕДЕНИЕ

В обыденной жизни мы постоянно встречаемся с предметами, имеющими различные геометрические формы. В то же время зачастую и деятельность человека связана с конструированием разнообразных геометрических объектов: рельефных (объемных, трехмерных) объектов и поверхностных (плоскостных) изображений (фотографий, картин, рисунков и чертежей). В последнем случае человек нередко руководствуется желанием передать красоту предметов и их окружения, геометрические и художественные свойства проектируемых объектов. Ныне в этом плане появились новые возможности, обеспечиваемые компьютерными средствами визуализации информации.

С компьютерной визуализацией информации и оперированием ею связано решение множества графических задач, в их числе:

—создание графических образов, иллюстративной и когнитивной графики;

—обработка изображений, сформированных различными техническими средствами и системами компьютерного зрения;

—моделирование, направленное на формирование в выбранном геометрическом пространстве визуализируемой геометрической модели, интерактивное управление ею и се негеометрическими — моделирование, направленное на формирование в выбранном геометрическом пространстве визуализируемой геометрической модели, интерактивное управление ею и ее негеометрическими характеристиками.

Теперь для решения задач с графическим представлением информации используют средства компьютерной (цифровой машинной) графики. Что подразумевают под компьютерной графикой? В литературе встречаются различные определения этого термина. Очевидно, что он значительно шире традиционного понятия "графика" как вида изобразительного искусства. для которого характерно преобладание линий и штрихов, контрастов белого и черного. Учитывая особенности имеющихся формулировок и тенденции развития рассматриваемого направления, можно дать следующее определение.

Компьютерная графика— направление в информатике, связанное с изучением и автоматизацией процессов, производством технологий, созданием, использованием и обслуживанием систем и сетей визуализации информации в графической форме.

Графическое изображение или информация в графической форме может представлять собой в отдельности либо в комбинации результат:

5

1) фиксации процессов и/или объектов реальности средствами формирования изображения. Например, цифровым фотоаппаратом, цифровым лазерным сканером, цифровым рентгеновским устройством или системой компьютерного зрения. Каждое такое средство имеет встроенный датчик изображения с поверхностью, чувствительной к излучению (допустим, акустическом)', оптическому или рентгеновскому);

2) творческой работы человека при привлечении графических средств автоматизации. Например, в виде пользовательского графического интерфейса; чертежа изделия, созданного характеристиками.

инженером с помощью системы автоматизированного проектирования конструкций; рекламы, подготовленной в компьютерной среде дизайн-системы.

В общем случае графическая форма допускает манипулирование представлением, его элементами и. или свойствами (геометрическими и негеометрическими (допустим звуковой, текстовой атрибутивной, семантической информацией либо информацией, используемой для обмена с другими программами)).

С точки зрения функциональной ориентации чаще всего различают две категории графических систем, рассчитанных обычно на одного пользователя: для подготовки и обработки статических и динамических изображений, представленных в дву- (2Dimension) и трехмерном (3D) геометрическом пространствах.

Системы подготовки изображений предназначены для получения графических образов, иллюстративной и когнитивной графики. Они находят применение в инженерном деле (например, в неинтеллектуальных и интеллектуальных системах автоматизированного проектирования электрических, пневматических и гидравлических схем, планов зданий, построении реалистичных изображений изделий; системах моделирования работы технологического оборудования, участков, цехов и завода; имитации движения транспортных средств), научных исследованиях (автоматизированных системах научных исследований, обеспечивающих визуализацию теоретических и экспериментальных данных в виде плоских и объемных графиков и диаграмм, процессов и явлений), бизнесе (системах деловой графики), полиграфии (системах компьютерной верстки), искусстве (компьютерных дизайн-системах и виртуальных студиях), для тренинга и обучения (учебно-тренажерных системах, базирующихся на компьютерной анимации виртуальной реальности) и домашнего досуга.

Системы обработки изображений ориентированы на улучшение качества рисунка, анализ и распознавание образов при решении задач в конкретных научных и прикладных областях (специализированные пакеты) и без учета специфики сферы использования (универсальные пакеты, в их числе MatLab).

Во многих графических приложениях обе категории систем часто соче-

6

таются. Так, например, в программном приложении, трансформирующем геометрический объект из одного вида в другой (морфинг), часто сначала выполняют сканирование фотографии и превращение ее в файл изображения. Далее цифровыми методами перемещают какие-то его части. Затем, пользуясь доступными алгоритмами, увеличивают контрастность цветов.

Если графические приложения и ресурсы их поддержки распределены в компьютерной сети и используются множеством пользователей, то имеет место графическая сеть. В одних узлах сети возможно выполнение графических приложений, а в других — графическое представление результатов их работы. Ресурсы — это, например, графические процессоры, графопостроители, принтеры и файлы графических и геометрических данных.

В настоящее время компьютерная графика базируется на двух классах графическою программного обеспечения: пакетах специального и общего назначения. Любой графический пакет, относящийся к первому классу, ориентирован на непрограммистов, работа которых поддерживается при создании и манипулировании изображением понятным им графическим интерфейсом и/или профессиональным языком. К пакетам специального назначения относятся, в частности, программы рисования для художников и различные инженерные системы автоматизированного проектирования и моделирования. Пакеты общего назначения представляют собой графические библиотеки, которыми можно пользоваться при разработке приложений на различных языках программирования например. таких как С:

C++. Fortran Java List или Prolog. OpenGL (Open Graphics Library— открытая

графическая библиотека), DirectX, VRML (Virtual Realit\ Modeling Language

— язык моделирования виртуальной реальности), Java 2D и Java 3D— примеры интерфейсов прикладного программирования, графических программных пакетов общего назначения.

Учитывая многообразие технологий компьютерной визуализации для разных сфер деятельности человека, рассмотрим с помощью данных методических указаний по самостоятельному изучению дисциплины наиболее важные принципы и способы создания графических изображений, инструментальные средства компьютерной графики и некоторые правила пользования ими.

7

1. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

На современном этапе развития производства, особенно в условиях перехода к рыночной экономике, всестороннее повышение качества управления производственными и технологическими объектами является определяющим фактором конкурентоспособности предприятий. Компьютерная графика в настоящее время широко используется в различных отраслях промышленности, экономике, учебных заведениях. Перечень ее применений обширен и продолжает расти.

Всистемах автоматизированного проектирования (САПР) компьютерная графика используется при проектировании компонент и систем механических, электрических, электромеханических и электронных устройств. К таким системам относятся сложные структуры (здания, химические и энергетические установки, фюзеляжи самолетов и корпуса судов и их внутренние части), оптические схемы, телефонные сети и сети ЭВМ. Большое внимание уделяется интерактивной работе с геометрической моделью, проектируемой компоненты, чтобы не только создать ее графический образ, но и проверить, например, ее механические, электрические и тепловые свойства.

Врешении этих задач важная роль принадлежит средствам вычислительной техники, математическому, геометрическому и имитационному моделированию технологических и производственно-экономических процессов, методам оптимизации условий их функционирования.

Целью изучения дисциплины является усвоение теории, принципов построения и функционирования графических систем на персональных ЭВМ, знакомство с принципами построения и основными характеристиками технического обеспечения ГС, принципами реализации и элементами двухмерной и трехмерной КГ (методами интерактивного ввода, графическими примитивами, эскизированием чертежей, управлением аппарата проецирования, интерактивным проектированием на наглядных изображениях) в памяти компьютера и на экране дисплея; особенностями построения лингвистического, математического и программного обеспечения, принципами построения и основными характеристиками современных ГС машиностроительного конструирования. Рассматриваются теоретические и прикладные вопросы применения современных систем машинной графики.

Целью изучения дисциплины является усвоение студентами основных современных методов геометрического моделирования, методов получения реалистических изображений, находящих применение в деревообрабатывающей промышленности.

8

В результате освоения дисциплины студент обязан: знать методы визуального представления информации, математические основы компьютерной графики и геометрического моделирования, особенности восприятия растровых изображений, методы квантования и дискретизации изображений, системы кодирования цвета, алгоритмы растрирования и геометрические преобразования;

уметь применять на практике алгоритмы компьютерной графики, создавать геометрические модели объектов;

иметь представление о методах геометрического моделирования, моделях графических данных и технических средствах компьютерной графики;

с системных позиций и комплексном подходе, знать структуру производственного и технологического процессов деревообработки и организации автомобильного движения и автомобильного хозяйства;

уметь выбирать рациональные варианты при принятии решений в условиях заданных ограничений, определять характеристики предмета труда, технико - экономические показатели, характеризующие эффективность технологического процесса, анализировать причинно-следственные связи между различными производственными процессами с применением графических средств компьютерной графики;

уметь пользоваться справочным и иным материалом для решения конкретных практических задач средствами компьютерной графики.

В процессе изучения дисциплины студенты слушают лекции по узловым разделам курса, самостоятельно изучают отдельные разделы курса, по учебной литературе, выполняют лабораторные работы

Объем дисциплины и виды учебной работы

9

1.3.Содержание разделов дисциплины

1.Введение в компьютерную графику. Основные понятия компью-

терной графики. КГ. Графические системы. Виды графических систем. Растровая и векторная графика. Основные характеристики. Преимущества, недостатки. Форматы графических файлов. Фрактальная графика и 3D - графика. Принципы реализации и характеристики. История развития машинной графики.

2.Техническое средства компьютерной графики. Состав и архитектура комплекса технических средств ГС. Основные характеристики ЭВМ ГС. Устройства графического вывода и отображения графических объектов. Устройство графического ввода. Логические интерактивные устройства ввода. Классы логических устройств графических систем. Координатографы, планшеты. Перспективы развития систем вывода.

3.Базовая графика. Концептуальная модель интерактивной графики. Структура данных. Построение прикладной модели. Описание объектов. Графическая интерактивная работа. Блок-схема графической системы. Понятие простого графического пакета. Основные функции графического пакета. Примитивы компьютерной графики. Физические и графические примитивы. Атрибуты примитивов.

4.Алгоритмические основы компьютерной графики. Алгоритмы вычерчи-

вания отрезков. Простой пошаговый алгоритм разложения отрезка в растрРазложение отрезка в растр по алгоритму Брезенхема. Основные шаги алгоритма Брезенхема вычерчивания кривых. Способы генерации растровых изображений. Растровая развертка в реальном времени. Групповое кодирование, клеточное кодирование. Изображение отрезков и литер. Понятие о растровой развертке сплошных областей. Основы методов устранения ступенчатости.

5.Геометрические преобразования на плоскости. Аффинные преобразова-

ния. Системы координат компьютерной графики. Однородная система координат. Матричная форма представления двухмерных преобразований.

6.Концепция построения трехмерных изображений. Механизм формиро-

вания проекций. Центральные и параллельные проекции. Основные направления применения проекций. Трехмерные координаты. Матричная форма представления трехмерных геометрических преобразований. Математический ап-

10

парат представления плоских геометрических проекций. Задание произвольных проекций трехмерных объектов.

7. Геометрическое моделирование. Геометрическое моделирование в пространстве. Цели и задачи геометрического моделирования. Модели в компьютерной графике. Представление пространственных форм. Параметрические кубические кривые. Кривые Эрмита, Безье, В - сплайны. Параметрические кубические поверхности. Полигональные сетки, параметрические бикубические куски.

8. Построение реалистических изображений. Физические и психологиче-

ские факторы, учитываемые при создании реалистических изображений. Видовая операция. Операция двухмерного отсечения. Алгоритм КоэнаСазерленда. Отсечение текста. Отображение окна на поле вывода. Понятие канонического видового объема. Трехмерное отсечение. Удаление скрытых линий. Алгоритм использующий Z — буфер. Модели освещения. Понятия о закраске методами Гуро и Фонга. Текстура и фактура поверхности объекта.

9. Обзор современных графических систем. Графические пакеты. AutoCAD, CorelDraw9, 3D Studio Max. Назначение. Основные возможности. Приемы работы.

2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

По дисциплине предусмотрено выполнение 10 лабораторных работ, обеспечивающих практическое знакомство студентов с основными разделами курса на базе пакета ACAD 2007 и графическими возможностями языка визуального программирования Visual Basic 6 (VB6). В табл. 4 дан базовый перечень лабораторных работ указаниях, ссылки на которые даны после названия темы лабораторной работы. Пропущенные или незаконченные в отведенное время лабораторные работы отрабатываются студентами самостоятельно в часы, выделенные кафедрой для самостоятельной работы.

2.1. Лабораторный практикум

3.ТЕМЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Контролируемая самостоятельная работа проводится по следующим направлениям:

-в отчеты о лабораторных работах включаются письменные ответы на контрольные вопросы по теме работы;

-вопросы по разделам дисциплины, выносимым на самостоятельную работу, включаются в перечень вопросов по зачету.

3.1.ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ВЫНОСИМЫХ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

1.ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРНУЮ ГРАФИКУ

Классификация задач Области применения компьютерной графики. Основные типы изображений. Растровая и векторная графика.

2. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЦВЕТА.

Зрительный аппарат человека. Цветовые модели растровой графики. Цветовая модель RGB, Цветовая модель CMY, Цветовая модель YIQ, Цветовая модель HSV (HSB), Цветовая модель HLS, Цветовая гармония

3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

4 АЛГОРИТМЫ ПОСТРОЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Растровые алгоритмы построения геометрических фигур. Отрезки прямой линии. Окружность и эллипс. Кривые и поверхности Безье. Растровые алгоритмы закрашивания фигур.

5. АФФИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

Аффинные преобразования на плоскости. Трехмерные аффинные преобразования. Векторизация растровых изображений.

6. СОВРЕМЕННЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Классификация и обзор современных графических систем. Основные функ-

циональные возможности современных графических систем. Графические системы класса 2D. Графические системы класса 3D. Организация диалога в графических системах. Операционная система MS Windows. Объектная архитектура Windows. Общая структура Windows-приложения. Контекст графи-