1.Введение

Современный уровень развития информационных технологий характеризуется огромными потоками информации, анализ и восприятие которой значительно упрощается при представлении ее в виде графических образов.

Отсюда возникает потребность в разработке эффективных аппаратных и программных средств по хранению, обработке и применению на практике данного вида информации.

Между различными способами отображения графической информации (изображение на принтере, плоттере, дисплее) имеется большая разница, однако все они имеют одно общее свойство: изображение объектов формируется с помощью цифрового процессора.

Таким образом:

Компьютерная (машинная) графика (КГ, МГ) - это совокупность программных и аппаратных средств создания, хранения и обработки моделей объектов и их изображений с помощью ЭВМ.

Различают пассивную и интерактивную машинную графику.

• Пассивная КГ - построение модели объекта и получение его изображения.

• Интерактивная ИКГ - возможность создания, динамического изменения и управления реалистическими трехмерными объектами с помощью внешних устройств.

1.1.Область применения

В настоящее время ИКГ используется практически во всех областях деятельности человека от компьютерных игр и рекламы, до моделирования сложных ситуаций в реальном масштабе времени (например, стыковка двух космических объектов).

Перечислять области применения МГ не имеет смысла. Достаточно привести слова американского ученого Ликлайдера: "…потенциальные возможности машинной графики грандиозны, ограничения зависят только от нашей фантазии - чем она богаче, тем полнее раскрываются возможности МГ".

1.2.История развития кг

Еще на заре развития ВТ формировали простейшие изображения с помощью АЦПУ или простейших графопостроителей. Историю развития МГ разделяют на следующие этапы:

1. В 1950 году в США появилась первая ЭВМ снабженная дисплеями;

2. В середине 50-х годов пульты с ЭЛТ стали использоваться для управления и контроля (в частности в РЛС);

3. В начале 60-х годов появляется первая работа посвященная МГ- диссертация Сазерленда в которой сформулированы основные положения машинной графики;

4. В середине 60-х годов появляются первые коммерческие разработки; В частности, в компании GMS (Дженерал моторс) разрабатывается пультовая графическая система с разделением времени для проектирования автомобилей;

5. В начале 70-х годов появляются растровые системы;

6. Началом резкого развития МГ следует считать появление ПЭВМ.

2.Концептуальная модель интерактивно-графической системы

Для понимания сущности вопроса построения реалистических трехмерных изображений и управления ими рассмотрим концепцию построения ИГС, отражающую взаимодействие программных и аппаратных средств.

Рис. 2-1

Из рисунка видно, что ИГС может рассматриваться как двунаправленный канал ввода/вывода. В одну сторону (вывод) поступает информация о моделируемом объекте в виде прикладной структуры данных, преобразуемой в изображение на физическом устройстве. В другую сторону (вывод) поступают команды и данные для изменения изображения и управление объектом. Рассмотрим более подробно основные этапы обработки информации в ИГС. Учитывая специфику вывода информации на внешнее устройство требующие пиксельного представления информации и необходимую при этом память регенерации все алгоритмы компьютерной графики ориентированны на обработку информации в целочисленном виде. Исходя из этого, существует очень тесное взаимодействие между программным обеспечением и аппаратной частью.

С точки зрения пользователя можно выделить следующие направления работы ГС.

1. Пассивное отображение информации (визуализация) без изменения ПСД (чертежи, реклама, картография, ДНК и т.п.);

2. Проектирование: САПР- создание нового объекта (ТЗ, принятие решений, построение модели, оценка, изменение и т.д.);

3. Моделирование реальной обстановки (тренажеры, игры, робототехника);

4. Пользовательский интерфейс (графика для создания API).

Работу системы в интерактивном режиме можно представить как постоянно действующий конвейер по обработке информации. Любое воздействие на моделируемый объект вызывает полный цикл обработки информации. Этот цикл можно разделить на следующие этапы:

№ этапа	Название этапа	Описание этапа
1	Прикладная структура данных	На данном этапе формируется основа отображаемого объекта. Возможно два способа формирования изображения: Первый способ формирование нового объекта на основе примитивов хранящихся в библиотеке (точки, прямые, многоугольники, окружности и т.д.); Второй способ использование готовых, ранее созданных моделей из библиотеки (винт, шайба, гайка и т.д.). В любом случае взаимодействие программных и аппаратных средств выглядит следующим образом: программное обеспечение графической системы предоставляет пользователю готовый интерфейс для работы с библиотекой примитивов или готовых элементов. С точки зрения аппаратного обеспечения используются внешние устройства ввода информации (мышь, клавиатура, сканер и т.д.)
2	Окно и отсечение	Модель собранная из примитивов описывается в мировых координатах (физических координатах пользователя). Для дальнейшей обработки в графическом конвейере она должна быть преобразована в нормированные координаты (см. лекцию OM_lek.doc). Ряд методов отсечения реализован в 3D-ускорителях, в частности наиболее распространенный метод Коэна-Сазерленда.
3	Удаление невидимых линий и поверхностей	Для отображения трехмерного изображения на двухмерную экранную плоскость необходимо удалить те примитивы которые заслоняются с точки зрения пользователя. Наиболее распространенными методами, которые так же реализуются с помощью 3D-ускорителей: метод плавающего горизонта, метод Варнака, метод Z-буфера (см. лекцию UNLP_lek.doc).
4	Закрашивание поверхностей	Наиболее известными методами является метод Фонга и метод Гуро, реализованные в современных 3D-ускорителях (см. лекция CMG_lek.doc).
5	Растеризация и вывод информации на экран	Перед выводом на экран информация должна быть подвергнута разложению в растр (наиболее распространенным методом является алгоритм Брэзенхема). Данный этап является наиболее трудоемким, так как требует постоянного взаимодействия оперативной памяти и памяти регенерации (находящейся в видеокарте). Память регенерации опрашивается постоянно с частотой не менее 60 Гц (60 кадров в секунду). При этом сильно загружается шина, по которой передается информация.

Рис. 2-2

Заключение

Выше перечислены только основные этапы формирования изображения на экране. Для получения реалистических изображений используются различные методы такие как: сглаживание поверхностей (например сплайновая интерполяция), трассировка лучей для построения теней и учета прозрачности объекта и многие другие. Большинство из этих методов реализуется в аппаратном виде на базе 3D-ускорителей.