ОСНОВНЫЕ

ПОНЯТИЯ И

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОМПЬЮТЕРНОЙ

ГРАФИКИ

Цели и задачи

дисциплины «Компьютерная графика»

Изучение способов организации графических систем;

Изучение математических и алгоритмических основ компьютерной графики;

Изучение программных и аппаратных средств компьютерной графики, ориентированных на синтез 3d объектов и сцен;

Приобретение навыков моделирования 3d объектов и сцен.

Краткая историческая справка.

Рассмотрим кратко начало развития компьютерной графики. Началом эры компьютерной графики можно считать декабрь 1951 года, когда в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера “Вихрь”. Изобретателем этого дисплея был инженер из МТИ Джей Форрестер.

Одним из отцов-основателей компьютерной графики считается Айвен Сазерленд (Ivan Sotherland), который в 1962 году все в том же МТИ создал программу компьютерной графики под названием “Блокнот” (Sketchpad). Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране.

После этой программы некоторые крупные фирмы, такие как “Дженерал моторз”, “Дженерал электрик”, приступили к разработкам в области компьютерной графики. В 1965 году фирма IBM выпустила первый коммерческий графический терминал под названием IBM-2250.

В конце 70-х годов для космических кораблей “Шаттл” появились летные тренажеры, основанные на компьютерной графике.

В 1979 году Джордж Лукас, глава фирмы “Lucasfilm” и создатель сериала “Звездные войны”, организовал в своей фирме отдел, который занимался внедрением последних достижений компьютерной графики в кинопроизводство.

В 1982 году на экраны кинотеатров вышел фильм “Трон”, в котором впервые использовались кадры, синтезированные на компьютере.

Краткая историческая справка.

(продолжение)

В XXI веке на экран выходят полнометражные фильмы, в которых минимум кадров снятых «в натуре», а все действие разворачивается в памяти компьютеров.

Области приложения компьютерной графики в настоящее время очень широки.

В промышленности используется компьютерное моделирование процессов с графическим отображением происходящего на экране.

Разработка новых автомобилей проходит на компьютере от стадии первичных эскизов внешнего вида корпуса автомобиля до рассмотрения поведения деталей автомобиля в различных дорожных условиях.

В медицине применяются компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь тела и поставить правильный диагноз.

В архитектуре широко применяются системы автоматизированного проектирования (CAD – Computer Aided Design) которые позволяют разработать полный проект здания, основываясь на методах компьютерной графики.

Химики изучают сложные молекулы белков, пользуясь средствами компьютерного отображения данных.

В телевидении и кинематографии компьютерная графика стала обыденным явлением.

В мире регулярно проводятся выставки, например, такие как SIGGRAPH, картин нарисованных с помощью компьютера.

В математике развитие фракталов было бы невозможно без компьютеров с соответствующими средствами графического отображения данных.

Средства мультимедиа привели к появлению новых источников информации объединяющих в себе статические и видео изображения, текст и звук.

Новейшие операционные системы работают в графическом режиме и изначально реализуют в своих функциях методы компьютерной графики

Основные определения

.Под геометрическим объектом подразумевается описание реального объекта математической моделью в аспекте формы и размеров.

Под графическим изображением или просто изображением понимается проекция трехмерного геометрического объекта, в частном случае - двухмерного, на двухмерную плоскость или, соответственно, на воспринимающие органы человека, робота, аватара и т.п.

Под образом понимается некоторое множество изображений, объединяемых некоторыми общими свойствами.

Только материально существующее изделие и графическое изображение геометрического объекта позволяют человеку воспринять информацию, которую несут в себе рассмотренные понятия.

Геометрический объект как математическая модель доступен человеку лишь косвенно через изображение, и, хотя математическое выражение ax+by+cz+d=0 представляет плоскость, оно воспринимается только после преобразования в сознании человека.

Область обработки геометрической и графической информации обычно принято разделять на следующие направления, представленные на рисунке

Пример описания Геометрического объекта

Обработка изображений

Обработка изображений связана с решением таких задач, в которых и входные и выходные

данные являются изображениями. Например,

размытые снимки, могут быть улучшены с помощью методов повышения контраста. Сюда же

относятся задачи удаления шумов (сглаживание,

фильтрация), коррекции искажений и т.п.

В других случаях может возникнуть даже задача построения нового изображения по набору других изображений, как это требуется, скажем, при синтезе изображений поперечных сечений тела человека по рентгенограммам, соответствующим

боковым проекциям.

Распознавание образов

Распознавание образов - это либо отнесение изображения к некоторому определенному классу, либо получение некоторого описания изображений. Данная задача представляет собой, в некотором смысле, обратную задачу машинной графики. Процедура распознавания применяется к некоторому изображению и обеспечивает преобразование его в некоторое абстрактное описание: набор чисел, цепочку символов, граф и др. Последующая обработка такого описания позволяет отнести исходное изображение к одному из нескольких классов, либо проанализировать его структуру.

Типичный пример задачи первого рода - автоматическая сортировка почты, в процессе которой идентифицируются цифры почтового индекса, второго - автоматическая сборка под управлением робота.

Геометрическое моделирование

Геометрическое моделирование - совокупность операций, включающих формирование геометрической модели объекта и ее преобразования с целью получения желаемого изображения объекта и определения его геометрических свойств. Элементарными геометрическими объектами являются точка, прямая, окружность, плоскость, цилиндр, шар, пространственная кривая и т.д. Геометрическое моделирование включает решение позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. К типовым позиционным задачам относят: распознавание взаимного положения геометрических объектов - инцидентности точки плоской области, пересечения контуров и вычисление координат их точек пересечения и т.п.;

К метрическим задачам относят вычисление длины объек та, площади, периметра, центра масс, моментов инерции, расстояний между объектами.