kniga
.pdfМіністерство освіти і науки України
Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
В. Г. Маценко
Комп’ютерна графіка
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник
для студентів вищих навчальних закладів
Чернівці «Рута»
2009
ББК 32.973.2 –018я73 М-367
УДК 004.92(075.8)
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України
як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (лист про надання грифу № 1.4/18-Г-633 від 14.03.08)
Рецензенти:
Бомба А. Я., доктор технічних наук, професор кафедри інформатики та прикладної математики Рівненського державного гуманітарного університету;
Сопронюк Ф. О., доктор фізико-математичних наук, професор, декан факультету комп’ютерних наук Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича;
Турчак Л. І., доктор-фізико-математичних наук, професор, завідувач відділом обчислювальної фізики Обчислювального центру імені Дородніцина РАН(Москва);
Косак О.С., доцент кафедри прикладної математики Львівського національного університету імені Івана Франка.
М-367 Маценко В.Г. Комп’ютерна графіка: Навчальний посібник. –
Чернівці: Рута, 2009 – 343 с. ISBN 966-568-846-4
У посібнику викладено математичні основи комп’ютерної графіки, наведено широкий спектр основних понять та алгоритмів, розглянуто фізичні основи сприйняття кольору та особливості колірних моделей, описані технічні та програмні засоби комп’ютерної графіки. Значна увага приділяється математичному моделюванню геометричних об’єктів і побудові їх проекцій. Розглянуто методи комп’ютерної 2D- і 3D-графіки та засоби програмування графіки. Наведено завдання до лабораторного практикуму, вправи та задачі для самостійного розв’язування, питання для самоконтролю, завдання для розробки комп’ютерних проектів.
Для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямами „Прикладна математика”, „Інформатика” та ін.
|
ББК 32.973.2 –018я73 |
|
УДК 004.92(075.8) |
ISBN 966-568-846-4 |
© В.Г. Маценко, 2009 |
|
©„Рута”, 2009 |
ЗМІСТ
Передмова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
Тема 1. Вступ до комп’ютерної графіки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1. Основні поняття . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Простіші моделі графічних об’єктів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3. Математичні моделі об'єктів графічних сцен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4. Застосування комп’ютерної графіки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Тема2. Технічнетапрограмне забезпеченнякомп’ютерноїграфіки. . . . . . . . . 29 2.1. Технічне забезпечення комп’ютерної графіки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.1. Пристрої введення графічної інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.2. Пристрої виведення графічної інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2. Програмне забезпечення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1. Основні поняття . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2. Найвідоміші графічні редактори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.3. Мови програмування графіки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.4. Графічні засоби відеосистем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3. Види комп’ютерної графіки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.1. Растрова графіка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.2. Векторна графіка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3.3. Фрактальна графіка . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4. Графічні файлові формати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Тема 3. Колір. Моделі кольору . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.1. Природа кольору . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2. Моделі кольорів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.1. Адитивна модель кольору RGB . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2. Субтрактивна модель кольорів CMY/CMYK . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2.3. Суб’єктивна модель кольорів HSB (HSV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3. Баланс кольорів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.4. Кодування кольору. Палітра кольорів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.5. Оптимальне поєднання кольорів при побудові зображень . . . . . . . . . . . 69
Тема 4. Відеоадаптер. Програмування відеодаптера . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.1. Основні поняття . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2. Режими відеоадаптерів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3. Програмування відеоадаптерів у простіших режимах . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4. Програмування відеоадаптерів у режимах OEH, 10H, 12H . . . . . . . . . . 82
Тема 5. Растрові алгоритми генерування кривих ліній . . . . . . . . . . . . . . . . |
89 |
5.1. Числові методи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
89 |
5.2. Інкрементні алгоритми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
91 |
5.2.1. Алгоритм Брезенхема для відрізка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
92 |
5.2.2. Алгоритм Брезенхема для кола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
95 |
5.2.3. Інкрементний алгоритм виведення еліпса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
97 |
5.2.4. Інкрементний метод Жордана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
99 |
3
Тема 6. Растрові алгоритми зафарбовування і заповнення областей . . . 102 6.1. Основні поняття . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2. Рекурсивні алгоритми заповнення областей . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3. Пострічковий алгоритм зафарбовування з затравкою . . . . . . . . . . 105 6.4. Алгоритм заповнення області за критерієм парності . . . . . . . . . . . . . . 106 6.5. Зафарбовування полігонів. YX-алгоритм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6. Заповнення фігур. Текстури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Тема 7. Побудова інтерполяційних та згладжуючих кривих . . . . . . . . . . 119 7.1. Основні поняття. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.2. Поліноміальна інтерполяція . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.2.1. Інтерполяційний многочлен Лагранжа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.2.2. Інтерполяційні сплайни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.3. Згладжуючі кубічні сплайни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.4. Сплайнові криві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.5. Криві Безьє . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5.1. Основні поняття . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5.2. Властивості кривих Безьє . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.5.3. Складені криві Безьє . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.5.4. Геометричний алгоритм для кривої Безьє . . . . . . . . . . . . . . . |
131 |
7.6. В-сплайнові криві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
132 |
7.7. Інтерполяційні кубічні криві Ерміта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
140 |
7.8. ТСВ-сплайни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
142 |
Тема 8. Математичні моделі поверхонь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.1. Білінійна та лінійчаста поверхні . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.2. Інтерполяційні бікубічні сплайни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.3. Сплайнові поверхні . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.3.1. Поверхні Безьє . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.3.2. В-сплайнові поверхні . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Тема 9. Основні алгоритми комп’ютерної геометрії . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.1. Тести орієнтації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.1.1. Орієнтація нормального вектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.1.2. Розміщення точки відносно прямої . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.1.3. Тест напряму обходу трьох точок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.2. Тест опуклості полігона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.3. Тести орієнтації точки відносно полігона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.3.1. Габаритний тест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.3.2. Тест, що визначає орієнтацію точки відносно кожного ребра . . . 156 9.3.3. Променевий тест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.3.4. Кутовий тест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 9.4. Тести перетину на площині . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.4.1. Тест перетину прямої з полігоном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.4.2. Тест перетину відрізків . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4
9.5. Алгоритми відсікання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . .. . . . |
. |
161 |
9.5.1. Двовимірний алгоритм Сазерленда-Коена . |
. . . . . . . . . . . . . . . . |
|
162 |
9.5.2. Відсікання відрізка опуклим полігоном . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . |
. |
163 |
9.5.3. Перетин та об’єднання опуклих полігонів . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
165 |
9.6. Інші алгоритми відсікання відрізків. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . 165 |
||
9.6.1. Двовимірний FC-алгоритм . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . |
. |
166 |
9.6.2. Алгоритм Кіруса-Бека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
. |
169 |
9.6.3. Відсікання полігонів. Алгоритм Вейлера-Азертона . . . . . . . . . . . . . |
. |
172 |
|
9.7. Побудова опуклої оболонки масиву точок . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
175 |
9.7.1. Метод загортання подарунка . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
176 |
9.7.2. Метод обходу Грехема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
177 |
9.8. Тріангуляція полігонів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
179 |
9.8.1. Тріангуляція опуклих полігонів . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . |
|
179 |
9.8.2. Тріангуляція неопуклих полігонів . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
180 |
9.8.3. Тріангуляція Делоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
181 |
Тема 10. Фрактали в комп’ютерній графіці . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . |
|
184 |
10.1. Поняття фрактала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
184 |
10.2. Конструктивні фрактали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
186 |
10.2.1. Крива Коха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
186 |
10.2.2. Зіркові фрактали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
188 |
10.3. Аналіз конструктивних фракталів . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
190 |
10.4. Динамічні фрактали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
|
195 |
10.4.1. Множини Жуліа і Мандельброта . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
195 |
10.4.2. Фрактали Жуліа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
197 |
10.4.3. Фрактали Мандельброта . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
198 |
10.4.4. Фрактали Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
|
201 |
10.5. Застосування фракталів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
|
202 |
Тема 11. Моделювання 2D/3D-перетворень . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
204 |
11.1. Афінні перетворення на площині . . . .. . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
204 |
11.2. Приклади афінних перетворень на площині . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
210 |
11.3. Афінні перетворення в просторі. . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
213 |
11.4. Приклади складніших 3D-перетворень . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
216 |
11.5. Методи задання складних афінних перетворень . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
220 |
Тема 12. Моделювання проекцій . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
226 |
12.1. Класифікація проекцій . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
226 |
12.2. Ортографічна проекція . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
227 |
12.3. Аксонометрична проекція . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . |
|
229 |
12.4. Косокутна проекція . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
234 |
12.5. Одноточкова (однофокусна) перспективна проекція . . . . . . . . . . . |
|
239 |
|
12.6. Двоточкове та триточкове перспективні перетворення . . . . . . . . . . |
|
242 |
|
12.7. Методи створення перспективних видів . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
|
244 |
5
Тема 13. Системи координат та їх перетворення . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . |
. . |
247 |
|
13.1. Системи координат . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . |
. |
247 |
13.2. Видове перетворення . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . |
. . |
250 |
13.3. Перспективне проектування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
253 |
|
13.4. Відображення у вікно виведення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
257 |
||
Тема 14. Усунення невидимих ліній і граней . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
259 |
|
14.1. Основні поняття . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
259 |
14.2. Алгоритм поточного горизонту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . |
. |
260 |
|
14.3. Алгоритм Робертса . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
266 |
14.4. Метод Z-буфера . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
274 |
||
14.5. Огляд деяких інших методів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
276 |
|
14.5.1. Метод відсікання нелицьових граней . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
276 |
|
14.5.2. Алгоритм Варнока розбиття картинної площини . . |
. . . . . . |
. . |
277 |
|
14.5.3. Метод сортування за глибиною. Алгоритм художника . . . |
. . |
278 |
||
Тема 15. Зафарбовування видимих поверхонь . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . |
. |
283 |
|
15.1. Моделі відбиття світла . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
|
284 |
15.1.1. Дзеркальне відбиття світла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . |
. |
284 |
|
15.1.2. Дифузне відбиття . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
|
286 |
15.2. Обчислення нормалей до поверхні відбиття світла . . . . . |
. . . . . . . |
|
289 |
|
15.3. Зафарбовування поверхонь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
|
291 |
|
15.3.1. Зафарбовування з постійною інтенсивністю . . . . . . |
. . . . . . |
. |
292 |
|
15.3.2. Метод Гуро . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
292 |
15.3.2. Метод Фонга . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
294 |
15.4. Методи трасування променів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
|
295 |
|
Тема 16. Програмування графіки на OpenGL . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . |
. |
301 |
|
16.1. Основні поняття . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
301 |
16.2. Вершини і примітиви . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
304 |
16.3. Перетворення координат і проекцій . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
309 |
|
16.4. Функції виведення тривимірних об’єктів . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . |
. |
313 |
|
16.5. Функції визначення видимих поверхонь . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
314 |
|
16.6. Моделювання освітлення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
314 |
|
16.7. Область виведення . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
318 |
Завдання до лабораторних робіт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. |
327 |
|
Комп’ютерні проекти . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
339 |
Список літератури . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . |
. . |
341 |
6
ПЕРЕДМОВА
Стрімкий розвиток комп’ютерного апаратного забезпечення і різноманітного програмного забезпечення сприяє якісним змінам у традиційних технологіях обробки інформації. З’являються нові нетрадиційні технології, в тому числі й такі, що змінюють сам стиль використання ком- п’ютерів. Серед них найбільш динамічно розвиваються мережні технології, комп’ютерна графіка, тривимірне моделювання й анімація, користувацький інтерфейс тощо.
Комп’ютерна графіка – складова всіх сучасних комп’ютерних технологій. Графічний інтерфейс став стандартом для програмного забезпечення різних класів, починаючи з операційних систем. Комп’ютерна графіка привертає увагу багатьох спеціалістів із різних галузей знань – програмістів, проектувальників засобів візуалізації, інженерів, фізиків, математиків та ін. Знанняосновкомп’ютерноїграфікинеобхіднекожномувченомучиінженеру.
Комп’ютерна графіка – це галузь знань, в якій, з одного боку, накопичено значний багаж знань, з іншого боку, здійснюється постійний розвиток методів, алгоритмів та практичних застосувань, це складна і різноманітна дисципліна. Комп’ютерна графіка є важливою компонентою освіти сучасного спеціаліста. В багатьох випадках потреби в графіці можуть бути забезпечені різними існуючими графічними бібліотеками та системами. Однак, постійно виникає необхідність створювати спеціальні графічні програмні засоби. Зробити це можна, якщо оволодіти практичними навичками розв’язування типових задач комп’ютерної графіки та відповідними теоретичними знаннями. Крім цього, слід зауважити, що навіть ефективне оволодіння існуючими графічними засобами вимагає знань теоретичних основ комп’ютерної графіки.
Метою курсу з комп’ютерної графіки для напрямів „Прикладна математика”, „Інформатика” (для студентів, що вивчають вищу математику і програмування) є оволодіння алгоритмами та методами, які можна було б використовувати при створенні нових реальних систем машинної графіки в поєднанні з застосуванням існуючих програмних засобів.
Фундаментом більшості програм машинної графіки є складний та розгалужений математичний апарат, а саме методи аналітичної та нарисної геометрії, векторної алгебри, числових методів, математичної логіки, методів оптимізації та ін. Математичним забезпеченням ком- п’ютерної графіки служать геометричні моделі разом із методами та алгоритмами перетворення цих моделей.
Глибоке оволодіння базовими математичними концепціями та мистецтвом програмування є головним ключем до розуміння подальшого
7
розвитку машинної графіки. Не розглядаючи складних математичних задач, потенціал машинної графіки часто реалізується не повністю внаслідок неадекватного використання математичного апарату. Тому в посібнику основна увага приділяється математичним методам, основним алгоритмам, технологіям та концепціям комп’ютерної графіки, а також методам процедурного характеру.
Мета цього посібника – забезпечити студентів навчальним матеріалом з різних аспектів комп’ютерної графіки, тому посібник складається з двох частин: теоретичної та практичної.
В теоретичній частині курсу даються основні означення, зроблено опис технічних та програмних засобів комп’ютерної графіки, описано організацію графічних режимів, наведено базові растрові алгоритми, основні алгоритми обчислювальної геометрії, методи моделювання координатних перетворень, методи й алгоритми тривимірної графіки, методи рендерінга, технології програмування графіки, приклади розв’я- зування типових задач. Більшість з наведених алгоритмів лежить в основі роботи багатьох сучасних графічних редакторів.
Практична частина містить лабораторний практикум, що базується на викладеному теоретичному матеріалі курсу. Він призначений для вироблення вмінь та навичок самостійної розробки програмного забезпечення. Тут наведено завдання для лабораторних робіт та більш складніші завдання для розробки комп’ютерних проектів.
Зростання частини самостійної роботи студентів потребує відповідних вправ, тому після кожної теми дається список контрольних питань та формулюються вправи і задачі для самостійного розв’язування. Це буде сприяти кращому розумінню і більш глибокому засвоєнню одержаних теоретичних знань, а також розвитку у студентів творчого і просторового мислення.
Зміст посібника значною мірою побудований на основі курсу ”Ком- п’ютерна графіка”, який викладається на факультеті прикладної математики Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Посібник може використовуватись студентами як денної, так і заочної форм навчання, викладачами вищої школи та спеціалістами, які працюють у галузі програмування графіки.
Побажання і пропозиції щодо покращення структури та змісту навчального посібника надсилайте за адресою vgm2006@mail.ru.
8
Тема 1. Вступ до комп’ютерної графіки
1.1. Основні поняття
Формування комп’ютерної графіки (надалі – КГ) як самостійного напрямку інформаційних технологій відноситься до 60-х років ХХ ст., коли Сазерлендом був створений спеціалізований пакет машинної графіки. Вперше подання інформаційних даних на екрані комп’ютера в графічному вигляді було продемонстровано на початку 50-х років спеціалістами Массачусетського технологічного інституту і згодом стало використовуватися в наукових і військових дослідженнях. За цей час комп’ютерна графіка пройшла шлях від окремих експериментів до одного з найважливіших інструментів сучасності. Розвиток комп’ютерної графіки проходить жваво: дещо швидко відживає, а водночас з’являється багато нового. Нині не можна собі уявити розвиток будь-якої галузі людської діяльності, пов’язаної з наукою, чи технікою без використання КГ. Вона є багатофункціональною складовою усіх інформаційних технологій і важливою компонентою для взаємодії людини з комп’ютером.
На першому етапі свого розвитку КГ була пасивною, однак це вже забезпечувало наочну форму сприйняття інформації, а, як відомо, більшу частину інформації (до 75%) про навколишній світ людина сприймає візуально, тобто за допомогою органів зору. З цього приводу можна згадати прислів’я: „краще раз побачити, ніж сто разів почути”, або його китайський аналог „одна картинка коштує 1000 слів”. Зображення не тільки місткий, але і доступний вид інформації, оскільки для сприйняття візуальної інформації від користувача вимагається менше зусиль. Інформація, що міститься у зображеннях, є найбільш концентрованою, найлегше сприймається та найшвидше обробляється.
При пасивній графіці ЕОМ формує і виводить зображення на графічний пристрій під управлінням прикладних програм. Користувач не може безпосередньо керувати формуванням зображення, перш ніж воно не з'явиться на екрані. Пасивний контроль не дає можливості втрутитися в процес проектування конструкції (система працює в пакетному режимі без діалогу). Для модифікації вихідного зображення необхідний повторний запуск пакета прикладних програм. Тому виникла необхідність у розвитку діалогових систем КГ, тобто систем інтерактивної графіки, щоб користувач оперативно міг вносити зміни в зображення безпосередньо в процесі його відтворення (в реальному масштабі часу). Нині всі сучасні графічні програми є системами інтерактивної КГ і вони можуть відтворювати всі особливості реальних зображень. Дамо ряд визначень.
Графіка – вид мистецтва, що включає малюнок і художнє зображення (походить від грецьк. слова графо, що означає „пишу, креслю, малюю”).
9
Комп’ютерна графіка – це галузь знань, що вивчає та розробляє методи і засоби синтезу, збереження й перетворення цифрових зображень за допомогою ЕОМ та інших технічних пристроїв.
Цифрове зображення – це модель реального або синтезованого (створеного штучно) зображення, що зберігається в пам’яті ЕОМ у вигляді сукупності цифрових кодів.
Режим, при якому користувач у реальному часі може впливати на весь процес формування зображення, тобто зміни в зображення можна вносити безпосередньо в процесі його відтворення (в режимі діалогу),
називається інтерактивним.
Інтерактивною КГ називають тоді, коли до складу графічної системи входять технічні і програмні засоби, що дозволяють динамічно формувати зображення.
Історично першими інтерактивними системами вважаються системи автоматизованого проектування (САПР), які з’явилися в 60-х роках ХХ ст.
КГ – це область інформатики, у сферу інтересів якої входять всі аспекти формування зображення за допомогою комп’ютера. Цифрові зображення немислимі без комп’ютерної обробки графічної інформації, їх простіше зберігати, тиражувати, компонувати тощо. Цифрові зображення можна створити сканером, цифровим фотоапаратом, а потім відредагувати в програмі обробки зображень (наприклад, в Adobe Photoshop), а можна створити цифрові малюнки з нуля, застосувавши спеціальні програми (наприклад, у Соrel Draw) або написавши відповідну програму на мові програмування (наприклад, Visual C++).
Основними задачами КГ є візуалізація інформації, тобто створення зображень різних об’єктів і сцен (у загальному випадку тривимірних) на деякому двовимірному екрані (наприклад, на екрані монітора або на аркуші паперу), виконання різних дій із зображеннями, зберігання та передавання графічної інформації.
Під синтезованим зображенням розуміють певне довільне візуальне подання інформації, яке отримується в комп’ютері на основі математичного опису (моделі) об’єкта згідно з директивами користувача.
Таке зауваження вилучає з предмета КГ задачі обробки та розпізнавання зображень, отриманих шляхом фотографування, оскільки в цьому випадку ми не маємо справи з побудовою графічних об’єктів за певними правилами.
При обробці зображень на основі початкового зображення одержують зображення, яке володіє іншими властивостями. Прикладом методів обробки зображень можуть бути підвищення контрасту, корекція кольорів, реставрація зображень.
10