10

Введение в машинную графику

.

Глава 1 Введение в компьютерную графику Понятие компьютерной графики. Задачи компьютерной графики

Человек всегда любил и умел рисовать. Большая часть истории рода человеческого представлена в наскальных рисунках, полотнах гениальных живописцев, чертежах, схемах инженеров, эскизах и рисунках простого люда. Изображение было и остается одним из важнейших средств межчеловеческого общения. Через изображение выражаются мысли, видение мира, отношение к окружению, реальные и виртуальные образы. А язык жестов?!

Эра электронного рисунка началась середине 50-х годов прошлого столетия, когда ученые и исследователи продемонстрировали иллюстрационную часть своих исследований (различные графики) на экране дисплея электронной вычислительной машины. Графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом «де-факто» для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.

Специальная область информатики, занимающаяся методами и средствами создания, обработки и наглядного представления графической информации изображений с помощью программно-аппаратных средств, называется компьютерной графикой. Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком, как на экране монитора, так и в виде твердой копии на внешнем носителе (бумага, ткань, кинопленка).

Компьютерная графика в настоящее время сформировалась как наука об аппаратном и программном обеспечении анализа и синтеза разнообразных изображений от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов.

Теория компьютерной графики развивается на базе взаимных связей информатики с другими науками и учебными дисциплинами, такими как: начертательная, проективная, аналитическая и дифференциальная геометрия, топология, черчение, вычислительная математика, операционные системы, языки и системы программирования.

Близкой к компьютерной графике областью является компьютерная геометрия, рассматриваемая как совокупность методов и приемов для решения при помощи ЭВМ задач, связанных с разнообразными геометрическими построениями на плоскости и в пространстве. Результаты этих построений интерпретируются средствами компьютерной графики.

Классификация задач компьютерной графики дается в зависимости от того направления, в котором преобразуются и передаются на ЭВМ данные, от способа их визуального представления и от типа объектов.

Геометрическое моделирование и компьютерная графика

Геометрическое моделирование имеет своей целью описание элементов и явлений, обладающих геометрическими свойствами, поскольку наиболее естественным для них является графическое представление.

Геометрические модели нередко имеют иерархическую структуру, возникающую в процессе построения по принципу - снизу - вверх. Отдельные компоненты используются как строительные блоки для формирования объектов более высокого уровня, которые, в свою очередь, могут использоваться для объектов еще более высокого уровня. В общем случае геометрические модели подразделяются на двумерные и трехмерные.

При проектировании изображений реальных объектов, представленных в виде совокупности кривых линий и поверхностей, конструктор часто использует различные геометрические условия, например, прохождения через точки, касание к прямым или кривым линиям и т. д. Типичным примером двумерной геометрической модели является сложная кривая (обвод) представляющая собой кривую, составленную из нескольких кривых.

В двумерном геометрическом моделировании широко распространены задачи на интерполяцию, аппроксимацию и сглаживание. Названные виды построений возникают тогда, когда задана последовательность точек, которые необходимо соединить плавной кривой.

Геометрический образ, заменяющий с определенной степенью точности исходный геометрический образ, называется аппроксимирующим, а процесс его нахождения - аппроксимацией. Если аппроксимирующий обвод проходит через узловые (заданные) точки дискретного обвода, то он называется интерполирующим.

Аналогичные операции осуществляются и при трехмерном геометрическом моделировании, т. е. интерполяция и аппроксимация поверхностей, заданных дискретно в виде регулярного или нерегулярного набора точек или линий. При этом применяется каркасно-параметрический метод представления поверхности, позволяющий при необходимости перезадавать каркас линий на поверхности, сгущать этот каркас и т. д.

Часто встречающейся задачей геометрического моделирования является дискретизация поверхности, т. е. разбивка ее на отсеки (куски) одинакового или различного вида. Это необходимо, например, при расчете поверхности оболочки, при ее реализации в сборном железобетоне из отдельных панелей.

Важным разделом трехмерного геометрического моделирования является формирование в ЭВМ изображения объекта. Эти изображения могут быть синтезированы в различных проекционно-изобразительных системах методами перспективных, аксонометрических или ортогональных проекций. К задачам геометрического моделирования относятся также преобразования объектов, анализ их видимости на экране дисплея, а также решение позиционных и метрических задач на изображаемых объектах. Для эффективного достижения поставленных целей в машинной графике широко используется математический аппарат матриц.