Компьютерная графика (КГ) Это область деятельности, в которой компьютеры используются как инструмент для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.

Первые шаги: КГ и военные «Мы живем во времена механических и электронных чудес. Одно из них создано в Массачусетском технологическом институте для военно-морского флота» В декабре 1951 года американские телезрители в одной из телепередач увидели представление (презентацию) электронного компьютера Whirlwind ("Вихрь-1"). Вел передачу обозреватель Эдвард Мюрроу, который общался напрямую с компьютерной лабораторией MIT (Массачусетского технологического института). Зрители увидели на экране нечто похожее на слова, составленные из огней иллюминации: “ХЕЛЛО, М-Р МЮРРОУ”. На самом деле никаких лампочек не было - это светились яркие точки на экране дисплея, на ЭЛТ.

Электронный компьютер «Вихрь» Требовалось рассчитать расход топлива, траекторию полета и скорость ракеты «Викинг» (для Пентагона). Телезрители увидели, как на экране «Вихря» появились графики, пути, скорости и расхода топлива ракеты для типичного полета (составлены из светящихся точек) Джей У. Форрест

Назначение «Вихря» Для управления летным тренажером (40 -е гг.) «Вихрь» - первый цифровой компьютер, работающий в реальном времени – универсальная машина для различных систем. Для совершенствования системы противовоздушной обороны (ВВС США): – управление огнем, – противолодочная оборона, – управление воздушным движением Преимущества графического отображения

«Вихрь» - основа для 1 серийной модели компьютера со средствами интерактивной графики Вихрь телефонные линии Филде (близь Бостона) радиолокационная станция в Хэнском- Инструкции программистов для обработки серийных чисел: компьютер получал экранные координаты преобразовывал их в графическую форму рисовал на экране подобие карты Для работы оператора был создан световой пистолет: для получения подробной информации о самолете оператор прикасался стволом пистолета к отметке на экране, от пистолета в компьютер передавался импульс, программа выводила на экран данные о самолете.

КГ в инженерном проектировании Айвен Сазерленд - пионер компьютерной графики, создал первый интерактивный графический пакет «Sketchpad» , прообраз будущих САПР. Он продемонстрировал, что компьютерная графика может быть использована как для художественного и технического применения, в дополнение к демонстрации нового (для того времени) способа взаимодействия человека и компьютера. В качестве манипулятора использовалось световой перо, пришедшее на смену световому пистолету. Айвен Сазерленд прикоснулся кончиком светового пера к центру экрана монитора, где светилось слово «чернила» , от чего оно превратилось в маленький крестик. Затем, нажав одну из кнопок, Сазерленд начал двигать световое перо. На экране возникла ярко-зеленая линия, тянувшаяся от центра крестика к точке, в которой находилось перо. И куда бы оно ни перемещалось, линия следовала за ним. Нажав другую кнопку, Сазерленд оставил линию на экране и убрал световое перо.

Световое перо Содержит фотоэлемент непосредственно в своем корпусе или вне его. Принцип работы: по световоду из стеклянных нитей или проводам сигнал передается в корпус терминала. перо, направленное на экран, воспринимает световой сигнал в момент, когда электронный луч высветил какую-либо деталь изображения перед острием пера. данный сигнал электронная схема фиксирует и опознает, какую деталь указали. Для «рисования» пером: 1 способ: При нажатии на кнопку или корпус пера электронная схема генерирует на экране луч, пробегающий по экрану строками. Экран «вспыхивает» в данный момент. В некотором месте некоторой строки перо воспринимает сигнал, обработав его, схема определяет положение пера. 2 способ: на экран дополнительно выводится маркер – группа точек или маленьких штрихов. Перо наводится на маркер, и тут начинает работать система слежения: маркер «движется» за пером (схема отслеживает какие точки маркера засвечивают перо, а какие нет). Координаты центра маркера передаются в программу и могут быть использованы.

ТХ-2 и «Блокнот» (1961 -1962 гг.) Состав ТХ-2: – световое перо, – экран на электронно-лучевой трубке, – «гигантская» память (286000 байт), – кнопочный блок. Подпрограммы «Блокнота»: перемещение крестика за пером по экрану, запоминание координат крестика в момент нажатия кнопки, вычисление координат новых точек, лежащих на прямой между первоначально заданной и текущей точкой, занесение нового отрезка в часть памяти компьютера, называемую буфером регенерации изображения, рисование дуги и полной окружности, части окружностей, сцепления, позволяющие строить объекты с заданными свойствами. Объект в «Блокноте» - точки, отрезки и дуги, соединенные между собой. 1963 г. – снят фильм о работе «Блокнота» . КГ стала применятся как средство проведения инженерных и конструкторских разработок в промышленности.

КГ: от единичных образов к признанию «General Motors» заключила соглашение с корпорацией IBM на разработку компьютерной системы DAC-1 (Design Augmented by Computers) для конструирования автомобилей (1964 г.). DAC-1: + позволяла проводить плавные кривые, которые нельзя описать простыми математическими формулами, - не имела средств для прямого рисования на экране (поэтому конструктор описывал очертания машины в программе или вводил в память компьютера обычный чертеж, переводя его при помощи специальной камеры в цифровую форму). + оператор мог манипулировать отдельными частями чертежа с помощью электронного планшета.

Единичные образы Интерес к применению новых, графических «способностей» компьютеров проявили: «LOCKHEED-GEORGIA» - компьютерные системы для конструирования самолетов; Нефтяные компании – компьютерные системы для составления карт по данным сейсмической разведки. Но все они создавались в единичном экземпляре для определенных целей!

Графические терминалы 1965 г. - компания IBM выпустила первый графический терминал IBM-2250 для работы с компьютерами серии «System-360» . - быстродействие программы недостаточно велико, чтобы можно было оперировать сложными изображениями, - операция вращения занимает много процессорного времени. 1968 г. - «Evans and Sutherland» создание новой системы LDS-1: возможность менять + сократилось время регенерации изображения, изображение с невиданной + число линий, выводимых на экран без мерцания возросло скоростью не менее чем в 100 раз - очень высокая стоимость (250000$, вдвое дороже IBM-2250) «Тetroniks» - создание запоминающей электронно-лучевой трубки (ЗЭЛТ), встраиваемой в терминал: + дешевая стоимость (4000$), - возможность работы только с плоскими изображениями, - медленный процесс построения изображения, - размытое, бледное изображение, - отсутствие возможности выборочного стирания частей изображения и вращения. Тем не менее изображения напоминали чертежи, о реалистичном изображении не было и речи

Расширение графических возможностей Растровые мониторы: + реалистичное изображение - высокие требования к памяти высокая стоимость, т. к. : до 60 -х гг. ЗУ компьютера строились преимущественно на дорогостоящих магнитных сердечниках (500000$ за миллион бит), с середины 60 -х гг. стали применять магнитный барабан (~ 30000$), который мог хранить данные для 10 кадров изображения. Растровые системы применяли на крупных электростанциях, в центрах управления метрополитеном и в научных лабораториях. НАСА для изучения поверхности Марса (1969 -1972 гг.).

Интегральные схемы (начало 70 -х гг.) Появились кадровые буферы на сдвиговых регистрах, выполненных в виде интегральных схем: + работают быстрее механических буферов на магнитных барабанах, - латентность (задержка между вводом информации и появлением ее на экране). ИС – это небольшой монокристалл кремния, содержащий множество электронных компонентов.

Запоминающие устройства с произвольным доступом (ЗУПД) 1968 г. – память ЗУПД = 256 бит, стоимость – 1$ за бит, конец 70 -х гг. - память ЗУПД = 1024 бит, 1973 г. - память ЗУПД = 4 Кб, 1975 г. - память ЗУПД = 16 Кб, 1980 г. - память ЗУПД = 64 Кб, 1983 г. - память ЗУПД = 256 Кб, 1984 г. - память ЗУПД = 1024 Кб=1 Мб! «… если бы стоимость автомобилей падала так же быстро, как цена ИС памяти, сегодня “роллс-ройс” можно было бы купить за 1$» Карл Макговер

1974 г. Работа над проблемой повышения качества изображений, получаемых со спутников, которые ведут наблюдение за с/х и лесными угодьями, минеральными ресурсами и т. д. Для этого разработчики снизили требования к памяти, используя для каждого изображения всего лишь несколько сотен цветов, т. е. создали таблицы выбора цветов, быстро приспособленных для многих областей применения машинной графики. Кадровый буфер хранит не саму информацию о цветах, а указатели на адреса памяти, где она записана. Так, кадровый буфер, в котором каждый пиксел описывается 8 битами, может дать только 256 сочетаний красного, зеленого и синего лучей ЭЛТ. Если же 8 бит задают адреса, то цвета можно выбирать из почти неограниченного набора оттенков, интенсивности и насыщенности. Более того, таблицу выбора можно перепрограммировать для определенных типов изображений. Т. о. ограниченная палитра позволяет получать плавные тени и хорошо различимые оттенки для каждого изображения.

КГ: взаимодействие человека и компьютера «Художники пишут картины, нанося краски на холст. Те, кто связан с компьютерной графикой, создают свои творения, придумывая математические функции, графики которых похожи на предметы» . Джеймс Блинн К середине 80 -х г. даже самые дешевые домашние компьютеры начали оснащать интегральными схемами, выполняющими основные графические функции. 70 -80 -е гг. – КГ все глубже проникает в повседневную жизнь.

КГ: массовое применение «Xerox» - выпустила 2000 компьютеров Alto, проводила стажировку для инженеров в области КГ. «Apple» (С. Джобс, С. Возняк) + «Xerox» = создали первый для серийного выпуска ПК «Лиза» , обладающего широкими графическими возможностями и оснащенного манипулятором «мышь» . «Apple» выпустила ПК Macintosh - «дружественной» машины по отношению к пользователям. В к. 80 -х гг. : появляется оконный графический интерфейс, ПК оснащаться «мышью» , развивается система WYSIWYG (What You See What You Get - что ты видишь, то ты и получишь), создаются первые настольные издательские системы (1986 г.), появляются программы для профессиональных художников и дизайнеров (1986 г.)

Аппаратные платформы КГ 1. Компьютеры Apple Macintosh применяются преимущественно художниками и дизайнерами-графиками, а также в полиграфии; 2. Компьютеры Silicon Graphics являются инструментом профессиональных аниматоров, а также конструкторовпроектировщиков в силу ряда технических характеристик. 3. Компьютеры РС применяются в графическом дизайне, полиграфии и даже анимации.

История развития КГ 1940 -1970 гг. – время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот период заложены математические основы. Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители появились в конце 60 -х годов и практически были не известны. 1971 -1985 гг. – появились персональные компьютеры, т. е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256). Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной графики.

История развития КГ 1986 -1990 гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа). К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось. Особенности: – появление диалога пользователя с персональным компьютером; – появление анимации и возможности выводить цветное изображение. 1991 -2008 гг. – появление графики нашего дня Virtual Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т. к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё.

История компьютерной графики в России История компьютерной графики в СССР началась практически одновременно с её рождением в США.

1964 - Первая компьютерная визуализация В Институте прикладной математики (ИПМ), г. Москва, Ю. М. Баяковским и Т. А. Сушкевич продемонстрирован первый опыт практического применения машинной графики при выводе на характрон последовательности кадров, образующих короткий фильм с визуализацией обтекания цилиндра плазмой.

1968 Первый отечественный растровый дисплей В ВЦ АН СССР, на машине БЭСМ-6 установлен первый отечественный растровый дисплей, с видеопамятью на магнитном барабане весом 400 кг. Первая дипломная работа по машинной графике в Московском университете Фолкер Хаймер. Транслятор и интерпретатор для программного языка L^6. Рассматривается реализация языка L^6, предложенного Кеннетом Ноултоном для решения некоторых задач анимации. Первый в мире мультфильм, нарисованный компьютером. Сделан из последовательности распечаток, выполненных на перфоленте с помощью машины БЭСМ-4. Этот мультфильм в своё время был большим прорывом в области компьютерного моделирования, ибо картинка не просто нарисована, а получена решением уравнений, задающих движение кошки.

«Кошечка» Кадры фильма формировались путём печати символов БЭСМ-4 на бумаге с помощью АЦПУ-128, затем их готовил к «плёнке» профессиональный художник-мультипликатор. Именно ему принадлежат кадры (следующие за титрами), когда кошка строит рожицы и выгибает спину. Движение кошки моделировалось системой дифференциальных уравнений второго порядка. Вероятно, это первая компьютерная анимация, где использовался такой приём. Уравнения выводил Виктор Минахин. Так как добиться выполнения определенных движений от животного было тяжело, в основу уравнений легли его собственные движения: он ходил на четвереньках и отмечал последовательность работы мышц при этом. Другим важным техническим нововведением мультфильма было представление трехмерного анимируемого объекта в виде иерархической структуры данных, напоминающей октодерево. На западе подобные техники анимации были переоткрыты только в 80 -х годах XX века, хотя в биомеханике такие расчёты движения велись и раньше - с начала 1970 -х гг. Уравнения мультфильма не выводились исходя из физических моделей мышц и суставов животного, они составлены «на глазок» , чтобы воспроизводить типичную походку кошки. Тем не менее авторам удалось достигнуть реализма движений, который отметил, к примеру профессор Университета Огайо Рик Парент, автор фундаментальной книги «Компьютерная анимация: алгоритмы и технология» .

История создания «Кошечки» Мультфильм был начат в лаборатории Александра Кронрода института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), но после того, как лаборатория была закрыта, Константинов, вместе с коллективом создателей мультфильма перенесли работу сначала в Институт проблем управления (ИПУ), а затем в Педагогический институт им. Ленина. Перевод полученных при расчёте бумажных распечаток в форму мультфильма вёлся на кафедре научной кинематографии МГУ, которая и значится в титрах. При просчёте мультфильма на разных экземплярах БЭСМ-4 в разных институтах создателям пришлось столкнуться с проблемой несовместимости некоторых машинных кодов для них, из-за чего программу приходилось поправлять на ходу. Первый показ мультфильма состоялся в МГУ. Затем автор неоднократно демонстрировал его на своих лекциях для школьников. Спустя 6 лет в журнале «Проблемы кибернетики» была опубликована статья, подробно описывающая технику создания мультфильма.

1970 Выпущен первый обзор по машинной графике, представленный затем как доклад на Вторую Всесоюзную конференцию по программированию (ВКП-2). Штаркман В. С. , Баяковский Ю. М. Машинная графика. Препринт ИПМ АН СССР, 1970. Первая публикация на русском языке, в которой появилось словосочетание машинная графика.

Защищена первая диссертация в СССР по машинной графике Список нескольких диссертаций приводится ниже: Карлов Александр Андреевич Вопросы математического обеспечения дисплея со световым карандашом и его использование в задачах экспериментальной физики Дубна, 1972 Грин Виктор Михайлович Программное обеспечение для работы с трехмерными объектами на графических терминалах Новосибирск, 1973 Баяковский Юрий Матвеевич Анализ методов разработки графического обеспечения ЭВМ Москва, 1974 Злотник Евгений Матвеевич Разработка и исследование комплекса технических средств и методики проектирования оперативной графической системы Минск, 1974 Лысый Семен Тимофеевич G 1 - Геометрическая система программного обеспечения ЭВМ Кишинев, 1976 Пигузов Сергей Юрьевич Разработка и исследование средств графического взаимодействия геофизика с ЭВМ при обработке данных сейсморазведки Москва, 1976

1976 На русском языке издана книга У. Ньюмена, Р. Спрулла «Основы интерактивной машинной графики» (под редакцией В. А. Львова).

1977 Первая встреча графиков - «региональная конференция» , но собралось достаточно представительное сообщество, получилась Всесоюзная.

1979 Первая всесоюзная конференция по машинной графике прошла в Новосибирске в сентябре. Список следующих конференций: Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики Новосибирск, 1981 г. Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений Владивосток, 24 -26 сентября 1985 г. IV Всесоюзная конференция по машинной графике Протвино, 9 -11 сентября 1987 г. V Всесоюзная конференция по машинной графике "Машинная графика 89" Новосибирск, 31 октября-2 ноября 1989 г.

1979 Первый полутоновой цветной растровый дисплей Гамма-1 Первую пригодную к активному использованию в кино и телевидении дисплейную станцию «Гамма» создали в Институте прикладной физики в новосибирском академ. городке Владимир Сизых, Петр Вельтмандер, Алексей Бучнев, Владимир Минаев и др. Разрешение первой станции было 256× 6 бит, и затем непрерывно увеличивалось. Дисплейная станция Гамма 7. 1 обеспечивала разрешение 1024*768 для прогрессивной развертки монитора 50 Гц и имела объём видеопамяти 1 Мб. Во второй половине 1980 -х гг. «Гамма» , выпускавшаяся серийно, поставлялась и успешно эксплуатировалась государственными телецентрами страны.

1981 Выход графического пакета Атом Разработка пакета была инициирована Ю. М. Баяковским. За основу была взята пропагандируемая им тогда Core System (Каминский, Клименко, Кочин).

1983 Первый спецкурс по машинной графике Ю. М. Баяковский начал читать годовой спецкурс по машинной графике для студентов факультета Вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета. С 1990 г. курс читается как обязательный для студентов второго года обучения.

1985 Первый доклад принят на Eurographics 1985 «Пробили окно в графическую Европу» - первый доклад из СССР принят на конференцию Eurographics 1985. Однако, поскольку Перестройка ещё не началась, то докладчикам не разрешили выехать из СССР, и первый раз советская делегация посетила конференцию только в 1988 году.

1986 Пакет Атом-85 выходит в ЦЕРН Графический пакет Атом-85 выпущен в ЦЕРН, где активно использовался (наравне с Графором) для задач иллюстративной графики (Клименко, Кочин, Самарин).

Граница 80 -х и 90 -х годов Спрос на исследования и разработки на внутрироссийском рынке упал практически до нуля, и вместе с тем исчезли традиционные (советские) возможности финансирования. Но открылись возможности международного сотрудничества. Это привело к кардинальному изменению тематики и условий работы, а также требований к научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам (НИОКР).

1990 Организована первая российская компания компьютерной графики «Драйв» В 1989 году, Александр Пекарь, Сергей Тимофеев и Владимир Соколов организовали студию компьютерной графики на ВПТО «Видеофильм» , которая спустя год стала первой самостоятельной компанией компьютерной графики, переместившись изпод крыла «Видеофильма» в Центральный павильон ВДНХ.

1991 В феврале в Москве прошла первая международная конференция по компьютерной графике и зрению Графи. Кон"91 Организована Академией наук СССР в лице Института прикладной математики имени М. В. Келдыша АН СССР, Союзом Архитекторов СССР и некоторыми другими организациями при содействии и поддержке международной ассоциации ACM Siggraph (США). Американские гости: Эд Кэтмулл (президент компании «Pixar» , сделавший с Джорджем Лукасом Звездные войны) Джон Ласситер («Pixar» , автор фильма «Tin Toy») Джим Кларк (создатель компании «Silicon Graphics» , законодатель мод в области профессиональных графических станций) Первым российским лауреатом на международном конкурсе PRIX ARS ELECTRONICA в номинации Computer Animation стал коллектив из Новосибирска.

1993 Проведен первый фестиваль компьютерной графики и анимации АНИГРАФ"93 В 1992 году Владимиром Лошкарёвым, руководителем фирмы «Joy Company» , занимающейся продвижением на российский рынок пакетов графических программ и оборудования, была организована первая научно-практическая конференция по компьютерной графике. Тогда и пришла идея фестиваля, сочетающего в себе и техническую сторону, и коммерцию, и чистое творчество. Фестиваля АНИГРАФ был организован при участии ВГИКа, сопредседателем оргкомитета стал Сергей Лазарук (проректор по научной и творческой работе ВГИКа). На выставке были представлены все крупнейшие производители графических станций. На творческом конкурсе было представлено более 50 работ. К сожалению, до десятилетнего юбилея фестиваль не дожил, и был закрыт как коммерчески несостоятельный.

1994 Первая компьютерная графика в отечественном кино В фильме «Утомленные солнцем» эпизод с шаровой молнией был подготовлен компанией «Render Club» .

1996 Первые попытки собрать и систематизировать исторические факты Timour Paltashev. Russia: Computer Graphics -Between the Past and the Future. Computer Graphics, vol. 30, No. 2, May 1996. Special issue: Computer Graphics Around the World. Yuri Bayakovsky. Russia: Computer Graphics Education Takes Off in the 1990"s. Computer Graphics, Vol. 30, No. 3, August 1996. Special issue: Computer Graphics Education -- Worldwide Effort

2000 -2001 гг. 2000 г. - Спецвыпуск журнала Computer&Graphics Vol. 24 «Computer Graphics in Russia» . 2001 г. - Появление виртуальной реальности в России. В Протвино прошла первая конференция из серии VEon. PC с демонстрацией созданной группой Станислава Клименко в кооперации с Мартином Гебелем (ИМК, С. Августин) первой в России установки виртуальной реальности.

2003 Первая конференция КРИ-2003 разработчиков компьютерных игр 21 и 22 марта 2003 года в Московском Государственном Университете состоялась первая международная Конференция Разработчиков компьютерных Игр (КРИ) в России, организованная DEV. DTF. RU - ведущим специализированным ресурсом в Рунете для игровых разработчиков и издателей. КРИ 2003 впервые в истории российской игровой индустрии собрала для обмена опытом и обсуждения самых различных проблем практически всех профессионалов отрасли. В КРИ 2003 приняло участие около 40 компаний из России, а также ближнего и дальнего зарубежья, действующих как в сфере разработки, так и издания игрового ПО, а общее число посетителей конференции, по различным оценкам, составило от 1000 до 1500 человек.

2006 Первая практическая конференция по компьютерной графике и анимации CG Event-2006 Вдохновленные конференцией SIGGRAPH, автором книги «Понимая Maya» Сергей Цыпцын и создателем сайта cgtalk. ru Александр Костин была организована первая практическая конференция по компьютерной графике CG Event, ставшая идейной наследницей фестиваля АНИГРАФ. В первой же CG Event участвовало более 500 человек, и в последующем количество участников только росло.

Ежегодно 3 декабря отмечается Всемирный день компьютерной графики. Дата выбрана не просто так: этот день в англоязычном варианте - 3 December, то есть получается единственное в своем роде ключевое сочетание - 3December, или 3D.

Предложение о создании праздника поступило в 1998 году от американской компании Alias Systems (поглощена Autodesk), разработчика Maya, пакета трехмерного моделирования и анимации. Затем к событию подключились такие гиганты, как Adobe Systems, NVIDIA, Wacom и пр.

Вначале праздник отмечали только те, кто напрямую связан с созданием трехмерных изображений, чуть позже примкнули все прочие сферы, имеющие отношение к компьютерной графике в целом. Русскоязычное сообщество называет событие по-своему - "День 3D-шника".

Крупные отраслевые игроки всю первую декаду декабря отдают проведению всевозможных мероприятий, презентаций, семинаров и мастер-классов. Мы в свою очередь попробуем обрисовать общую картину становления и развития компьютерной графики. На полноту описания истории претендовать нет смысла, но обозначить основные вехи, предоставив поверхностный взгляд, все же можно.

1950-е годы: от текстовых изображений к графической консоли

ASCII-графика известна с конца XIX в., когда машинистки соревновались за лучший рисунок, выполненный на печатной машинке.
Иллюстрация: jackbrummet.blogspot.com.

В 1950 году Бенджамин Лапоски (Ben Laposky), математик, художник и чертежник, начал экспериментировать с рисованием на осциллографе. Танец света создавался сложнейшими настройками на этом электронно-лучевом приборе. Для запечатления изображений применялись высокоскоростная фотография и особые объективы, позже были добавлены пигментированные фильтры, наполнявшие снимки цветом.

Бен Лапоски рядом с осциллографом, которому он нашел необычное применение.
Иллюстрация: Sanford Museum.

Позже "осциллоны" стали цветными благодаря использованию светофильтров.
Иллюстрация: Sanford Museum.

"Визуальные ритмы и гармонии электронного абстрактного искусства" Лапоски прекрасно сочетались с аудиорядами, синтезированными Робертом Мугом (Robert Moog), пионером электронной музыки.

Компьютер Whirlwind: память на магнитных сердечниках (слева) и операторская консоль.
Иллюстрация: Wikimedia.

Крестики-нолики OXO в эмуляторе EDSAC для Mac OS X.
Иллюстрация: Wikimedia.

Световые перья вовсю использовались в вычислительных терминалах образца 1960-х годов.

IBM 2250. Световое перо на тот момент выступало аналогом компьютерной мыши.
Иллюстрация: Wikimedia.

В 1958 году в МТИ запущен компьютер Lincoln TX-2 , впервые использующий графическую консоль. С этого момента компьютерная графика обретает настоящее приложение методик и наработок - векторный дисплей.

Рабочее место TX-2.
Иллюстрация: МТИ.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

1960-е годы: от "Альбома" к мультипликации

"Человек Боинга" (Boeing Man). Компьютерная графика помогала здорово экономить время и силы в проектировании самолетов.
Иллюстрация: Boeing.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), другой учащийся МТИ, написал для TX-2 компьютерную программу "Альбом" (Sketchpad). Она, на тот момент по праву революционная, дала машинной графике огромный толчок вперед, послужила прообразом для систем автоматизированного проектирования (САПР), впервые описала элементы современных пользовательских интерфейсов и объектно ориентированных языков программирования.

"Альбом" посредством светового пера позволял рисовать на дисплее векторные фигуры, сохранять их, обращаться к готовым примитивам. Ключевым моментом было использование концепции "объектов" и "экземпляров": эталонный чертеж можно было многократно копировать, меняя каждый из эскизов по своему вкусу, и, если вносились правки в исходный чертеж, соответствующим образом перестраивались его дубликаты.

Айвен Сазерленд демонстрирует "Альбом" на графической консоли TX-2. За свою программу он в 1988 году получил премию имени Алана Тьюринга, которая в компьютерном мире по значимости сравнима с Нобелевской.
Иллюстрация: МТИ.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Параллельно Кен Ноултон (Ken Knowlton), сотрудник той же компании, придумал BeFlix (от Bell Flicks), первый специализированный язык компьютерной анимации на основе Фортрана. Он, работая с "графическими примитивами" вроде рисования линии, копирования области, заполнения зоны, масштабирования и пр., позволял создавать изображения с восемью полутонами и разрешением 252×184 точек.

В период 1965-1971 годов на основе BeFlix режиссером-экспериментатором Стэном Вандербиком (Stan VanDerBeek) была создана серия мультипликаций Evans & Sutherland . Ее сформировали нам уже известный Айвен Сазерленд и Дэвид Эванс (David Evans), вплотную изучающий аспекты визуального взаимодействия компьютера с человеком.

Техническое оснащение созданной лаборатории, всесторонне сфокусировавшейся на вопросах создаваемых компьютерами изображений (CGI) - в том числе оборудования реального времени, ускорения трехмерной графики и создания принтерных языков, было достаточно мощным, чтобы привлечь целую когорту перспективных специалистов.

Так, среди примкнувших оказались Эдвин Кэтмелл (Edwin Catmull), который понял, что мультипликацию следует переложить на плечи компьютеров, Джон Уорнок (John Warnock), сооснователь Adobe Systems и разработчик концепции революционного в издательском деле языка описания страниц PostScript, Джеймс Кларк (James Clark), совместно основавший Silicon Graphics и Netscape Communications.

Эд Кэтмелл, его считают отцом компьютерной мультипликации. Сейчас он занимает пост президента Walt Disney и Pixar, мирового лидера по практическому внедрению компьютерной графики в киноиндустрию.
Иллюстрация: Flickr/Jeff Heusser.

В 1968 году в СССР снят мультфильм "Кошечка" , ставший первым, в котором появился анимированный компьютером персонаж.

Группа специалистов под руководством математика Николая Константинова обратилась к вычислительной машине БЭСМ-4 , которая с достаточной степенью реализма моделировала движения кошки через систему дифференциальных уравнений второго порядка. Каждый кадр выводился на печатающее устройство, затем все они были объединены в ленту.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Во второй части погружения в историю компьютерной графики мы разберем вопросы алгоритмов.!

Министерство образования и науки Российской Федерации

БУЗУЛУКСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет заочного обучения

Кафедра физики, информатики, математики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Компьютерная графика и моделирование»

История возникновения компьютерной графики

Бузулук 2012

Аннотация

Курсовая работа на тему «История развития методов компьютерной графики» содержит из 32 страниц, в том числе 15 рисунков, 20 источников литературы.

В первом разделе описывается история возникновения компьютерной графики.

Во втором разделе описываются виды графики и использование графики в различных сферах деятельности человека.

Введение

История развития информационных технологий характеризуется быстрым изменением концептуальных представлений, технических средств, методов и сфер их применения. В современных реалиях весьма актуальным для большинства людей стало умение пользоваться промышленными информационными технологиями. Проникновение компьютеров во все сферы жизни общества убеждает в том, что культура общения с компьютером становится общей культурой человека.

Цель работы - изучить историю возникновения компьютерной графики.

Объектом изучения является компьютерная графика.

Предмет изучения: история возникновения компьютерной графики.

Задачи курсовой работы:

) изучить и провести анализ литературы по данной теме;

) дать понятие основным видам компьютерной графики;

) рассмотреть возможности компьютерной графики.

1. История развития компьютерной графики

1.1 Возникновение компьютерной (машинной) графики

Компьютерная графика насчитывает в своем развитии не более десятка лет, а ее коммерческим приложениям - и того меньше. Андриесван Дам считается одним из отцов компьютерной графики, а его книги - фундаментальными учебниками по всему спектру технологий, положенных в основу машинной графики. Также в этой области известен Айвэн Сазерленд, чья докторская диссертация явилась теоретической основой машинной графики.

До недавнего времени экспериментирование по использованию возможностей интерактивной машинной графики было привилегией лишь небольшому количеству специалистов, в основном ученые и инженеры, занимающиеся вопросами автоматизации проектирования, анализа данных и математического моделирования. Теперь же исследование реальных и воображаемых миров через «призму» компьютеров стало доступно гораздо более широкому кругу людей.

Такое изменение ситуации обусловлено несколькими причинами. Прежде всего, в результате резкого улучшения соотношения стоимость / производительность для некоторых компонент аппаратуры компьютеров. Кроме того, стандартное программное обеспечение высокого уровня для графики стало широкодоступным, что упрощает написание новых прикладных программ, переносимых с компьютеров одного типа на другие.

Следующая причина обусловлена влиянием, которое дисплеи оказывают на качество интерфейса - средства общения между человеком и машиной, - обеспечивая максимальные удобства для пользователя. Новые, удобные для пользователя системы построены в основном на подходе WYSIWYG (аббревиатура от английского выражения «Whatyouseeiswhatyouget» - «Что видите, то и имеете»), в соответствии с которым изображение на экране должно быть как можно более похожим на то, которое в результате печатается.

Большинство традиционных приложений машинной графики являются двумерными. В последнее время отмечается возрастающий коммерческий интерес к трехмерным приложениям. Он вызван значительным прогрессом в решении двух взаимосвязанных проблем: моделирования трехмерных сцен и построения как можно более реалистичного изображения. Например, в имитаторах полета особое значение придается времени реакции на команды, вводимые пилотом и инструктором. Чтобы создавалась иллюзия плавного движения, имитатор должен порождать чрезвычайно реалистичную картину динамически изменяющегося «мира» с частотой как минимум 30 кадров в секунду. В противоположность этому изображения, применяемые в рекламе и индустрии развлечений, вычисляют автономно, нередко в течение часов, с целью достичь максимального реализма или произвести сильное впечатление.

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев:

произвольное сканирование луча;

растровое сканирование луча;

запоминающие трубки;

плазменная панель;

жидкокристаллические индикаторы;

электролюминисцентные индикаторы;

дисплеи с эмиссией полем.

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась, как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюменпо-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950г. в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название «векторный дисплей».

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки и, следовательно, начала свечения люминофора любой части требуемого элемента.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов.

Растровое сканирование луча.

Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча.

Запоминающие трубки.

В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же, как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика.

Плазменная панель.

В 1966г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не только в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействием относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл.

Таким образом, стартовав в 1950г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием.

2. Компьютерная графика

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт.

Можно рассмотреть следующие области применения компьютерной графики.

Научная графика.

Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика.

Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.

Иллюстративная графика.

Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.

Одним из первых известных фильмов был фильм «Звездные войны». Он был создан с помощью суперкомпьютера Сгау. Этапы дальнейшего развития компьютерного кинематографа можно проследить по таким фильмам, как «Терминатор-2», «Вавилон 5», и др. До недавнего времени технологии компьютерной графики использовались для спецэффектов, создания изображений экзотических чудовищ, имитации стихийных бедствий и других элементов, которые являлись лишь фоном для игры живых актеров. В 2001 году вышел на экраны полнометражный кинофильм «Финальная фантазия», в котором все, включая изображения людей, синтезировано компьютером - живые актеры только озвучили роли за кадром.

Компьютерная анимация.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения.

Графика для Интернета.

Виды компьютерной графики.

Различают три вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровый метод - изображение представляется в виде набора окрашенных точек. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры.

Пиксел - основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровое изображение.

Цифровое изображение - это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y) (для черно-белых изображений). Поскольку пикселы имеют дискретный характер, то их координаты - это дискретные величины, обычно целые или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксел характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью синего и яркостью зеленого цветов (VR, VB, VG). Комбинируя данные три цвета можно получить большое количество различных оттенков.

Заметим, что в случае, если хотя бы одна из характеристик изображения не является числом, то изображение относится к виду аналоговых. Примерами аналоговых изображений могут служить голограммы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые изображения переводят в цифровой вид. Эту задачу осуществляет ImageProcessing.

Цвет любого пиксела растрового изображения запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций), причем 0 - черный цвет, а 255 - белый (максимальная интенсивность). В случае цветного изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет. Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют естественными цветами.

В цветовых палитрах каждый пиксел описан кодом. Поддерживается связь этого кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки- 24 разряда. На выходе каждой ячейки по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.

Цветовое пространство, образуемое интенсивностями красного, зеленого и синего, представляют в виде цветового куба (см. рис. 1.).

Рисунок 1- Цветовой Куб

Вершины куба A, B, C являются максимальными интенсивностями зеленого, синего и красного соответственно, а треугольник, которые они образуют, называется треугольником Паскаля. Периметр этого треугольника соответствует максимально насыщенным цветам. Цвет максимальной насыщенности содержит всегда только две компоненты. На отрезке OD находятся оттенки серого, причем тока O соответствует черному, а точка D белому цвету.

Виды растров.

Растр - это порядок расположения точек (растровых элементов). На рисунке 2 изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется прямоугольным, именно такие растры наиболее часто используются.

Рисунок 2 - Растр с элементами квадрата

Хотя возможно использование в качестве растрового элемента фигуры другой формы: треугольника, шестиугольника; соответствующего следующим требованиям:

−все фигуры должны быть одинаковые;

−должны полностью покрывать плоскость без наезжания и дырок.

Так в качестве растрового элемента возможно использование равностороннего треугольника (см. рис. 3), правильного шестиугольника (гексаэдра) (см. рис. 4) Можно строить растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных растрах отсутствует.

Рисунок 3- Треугольный растр

Рассмотрим способы построения линий в прямоугольном и гексагональном растре.

Рисунок 4 - «Гексагональный растр»

В прямоугольном растре построение линии осуществляется двумя способами:

) Результат - восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из восьми возможных (см. рис. 5а) положениях

) Результат - четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится в одном из четырех возможных (см. рис. 5б) положениях. Недостаток - избыточно толстая линия при угле 45°.

Рисунок 5 - Построение линии в прямоугольном растре

В гексагональном растре линии шестисвязные (см. рис. 6) такие линии более стабильны по ширине, т.е. дисперсия ширины линии меньше, чем в квадратном растре.

Рисунок 6 - Построение линии в гексагональном растре

Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи кодированного, с учетом используемого растра, изображения с последующим восстановлением и визуальным анализом достигнутого качества.

Моделирование гексагонального растра. Возможно построение гексагонального растра на основе квадратного. Для этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.

Векторная графика.

Векторная графика описывает изображения с использованием прямых и изогнутых линий, называемых векторами, а также параметров, описывающих цвета и расположение. Например, изображение древесного листа (см. рис. 7.) описывается точками, через которые проходит линия, создавая тем самым контур листа. Цвет листа задается цветом контура и области внутри этого контура.

Рисунок 7 - Пример векторной графики

В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов, окружностей и линий. Хотя на первый взгляд это может показаться сложнее, чем использование растровых массивов, но для некоторых видов изображений использование математических описаний является более простым способом.

Ключевым моментом векторной графики является то, что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Это позволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при рисовании этих объектов. Такая особенность векторной графики дает ей ряд преимуществ перед растровой графикой, но в тоже время является причиной ее недостатков.

Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой. Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы и тому подобное называется примитивами, и используются при создании более сложных объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различных объектов.

Для создания векторных рисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационных пакетов. Достоинство векторной графики в том, что описание является простым и занимает мало памяти компьютера. Однако недостатком является то, что детальный векторный объект может оказаться слишком сложным, он может напечататься не в том виде, в каком ожидает пользователь или не напечатается вообще, если принтер неправильно интерпретирует или не понимает векторные команды.

При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы, менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального представления. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества.

Векторное представление заключается в описании элементов изображения математическими кривыми с указанием их цветов и заполняемости.

Еще одно преимущество - качественное масштабирование в любую сторону. Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением соответствующих коэффициентов в математических формулах. К сожалению, векторный формат становится невыгодным при передаче изображений с большим количеством оттенков или мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла. Кроме того, перевод изображения из растрового в векторный формат (например, программой AdobeStrimeLine или Corel OCR-TRACE) приводит к наследованию последним невозможности корректного масштабирования в большую сторону. От увеличения линейных размеров количество деталей или оттенков на единицу площади больше не становится. Это ограничение накладывается разрешением вводных устройств (сканеров, цифровых фотокамер и др.).

Понятие фрактала и история появления фрактальной графики.

Вы, наверное, часто видели довольно хитроумные картины, на которых непонятно что изображено, но все равно необычность их форм завораживает и приковывает внимание. Как правило, это хитроумные формы не поддающиеся, казалось бы, какому-либо математическому описанию. Вы, к примеру, видели узоры на стекле после мороза или, к примеру, хитроумные кляксы, оставленные на листе чернильной ручкой, так вот что-то подобное вполне можно записать в виде некоторого алгоритма, а, следовательно, доступно объясниться с компьютером. Подобные множества называют фрактальными. Фракталы не похожи на привычные нам фигуры, известные из геометрии, и строятся они по определенным алгоритмам, а эти алгоритмы с помощью компьютера можно изобразить на экране. Вообще, если все слегка упростить, то фракталы - это некое преобразование многократно примененное к исходной фигуре.

Первые идеи фрактальной геометрии возникли в 19 веке. Кантор с помощью простой рекурсивной (повторяющейся) процедуры превратил линию в набор несвязанных точек (так называемая Пыль Кантора). Он брал линию и удалял центральную треть и после этого повторял то же самое с оставшимися отрезками. Пеано нарисовал особый вид линии (см. рис.8). Для ее рисования Пеано использовал следующий алгоритм.

Рисунок 8- Алгоритм рисования

На первом шаге он брал прямую линию и заменял ее на 9 отрезков длинной в 3 раза меньшей, чем длинна исходной линии (Часть 1 и 2 рисунка 1). Далее он делал то же самое с каждым отрезком получившейся линии. И так до бесконечности. Ее уникальность в том, что она заполняет всю плоскость. Доказано, что для каждой точки на плоскости можно найти точку, принадлежащую линии Пеано. Кривая Пеано и пыль Кантора выходили за рамки обычных геометрических объектов. Они не имели четкой размерности. Пыль Кантора строилась вроде бы на основании одномерной прямой, но состояла из точек, а кривая Пеано строилась на основании одномерной линии, а в результате получалась плоскость. Во многих других областях науки появлялись задачи, решение которых приводило к странным результатам, на подобие описанных (Броуновское движение, цены на акции).

Вплоть до 20 века шло накопление данных о таких странных объектах, без какой либо попытки их систематизировать. Так было, пока за них не взялся Бенуа Мандельброт - отец современной фрактальной геометрии и слова фрактал. Работая в IBM математическим аналитиком, он изучал шумы в электронных схемах, которые невозможно было описать с помощью статистики. Постепенно сопоставив факты, он пришел к открытию нового направления в математике - фрактальной геометрии.

Сам Мандельброт вывел слово fractal от латинского слова fractus, что означает разбитый (поделенный на части). И одно из определений фрактала - это геометрическая фигура, состоящая из частей и которая может быть поделена на части, каждая из которых будет представлять уменьшенную копию целого (по крайней мере, приблизительно).

Как только Мандельброт открыл понятие фрактала, оказалось, что мы буквально окружены ими. Фрактальны слитки металла и горные породы, фрактальны расположение ветвей, узоры листьев, капиллярная система растений; кровеносная, нервная, лимфатическая системы в организмах животных, фрактальны речные бассейны, поверхность облаков, линии морских побережий, горный рельеф...

Чтобы представить себе фрактал рассмотрим пример, приведенный в книге Б. Мандельброта «Фрактальная геометрия природы» ставший классическим - «Какова длина берега Британии?». Ответ на этот вопрос не так прост, как кажется. Все зависит от длины инструмента, которым мы будем пользоваться. Померив берег с помощью километровой линейки мы получим какую-то длину. Однако мы пропустим много небольших заливчиков и полуостровков, которые по размеру намного меньше нашей линейки. Уменьшив размер линейки до, скажем, 1 метра - мы учтем эти детали ландшафта, и, соответственно длина берега станет больше. Пойдем дальше и измерим длину берега с помощью миллиметровой линейки, мы тут учтем детали, которые больше миллиметра, длина будет еще больше. В итоге ответ на такой, казалось бы, простой вопрос может поставить в тупик кого угодно - длина берега Британии бесконечна.

Основное свойство фракталов - самоподобие. Любой микроскопический фрагмент фрактала в том или ином отношении воспроизводит его глобальную структуру. В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал.

Отсюда основной рецепт построения фракталов: возьмите простой мотив и повторяйте его, постоянно уменьшая размеры. В конце концов выйдет структура, воспроизводящая этот мотив во всех масштабах. (рис.9)

Рисунок 9 - Мотив повторения фрактала

Берем отрезок и среднюю его треть переламываем под углом 60 градусов. Затем повторяем эту операцию с каждой из частей получившейся ломаной - и так до бесконечности. В результате мы получим простейший фрактал - триадную кривую, которую в 1904 году открыла математик Хельга фон Кох.

Если на каждом шаге не только уменьшать основной мотив, но также смещать и поворачивать его, можно получить более интересные и реалистически выглядящие образования, например, лист папоротника или даже целые их заросли. А можно построить весьма правдоподобный фрактальный рельеф местности и покрыть её очень симпатичным лесом. В 3D StudioMax, например, для генерации деревьев используется фрактальный алгоритм. И это не исключение - большинство текстур местности в современных компьютерных играх представляют фракталы. Горы, лес и облака на картинке - фракталы.

Файлы фрактальных изображений имеют расширение fif. Обычно файлы в формате fif получаются несколько меньше файлов в формате jpg, но бывает и наоборот. Самое интересное начинается, если рассматривать картинки с всё большим увеличением. Файлы в формате jpg почти сразу демонстрируют свою дискретную природу - появляется пресловутая лесенка. А вот fif файлы, как и положено фракталам, с ростом увеличения показывают все новую степень детализации структуры, сохраняя эстетику изображения.

Геометрические фракталы.

Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов получается путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется «затравка» - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал. Далее к этой «затравке» применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил. С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и если мы проведем бесконечное количество преобразований - получим геометрический фрактал.

Рассмотренная ранее кривая Пеано является геометрическим фракталом. На рисунке 10 приведены другие примеры геометрических фракталов (Снежинка Коха, Лист, Треугольник Серпинского).

Рисунок10- Снежинка Коха

Рисунок11-Лист

Рисунок 12 -Треугольник Серпинского

Из этих геометрических фракталов очень интересным и довольно знаменитым является - снежинка Коха. Строится она на основе равностороннего треугольника. Каждая линия которого заменяется на 4 линии каждая длинной в 1/3 исходной. Таким образом, с каждой итерацией длинна кривой увеличивается на треть. И если мы сделаем бесконечное число итераций - получим фрактал - снежинку Коха бесконечной длинны. Получается, что наша бесконечная кривая покрывает ограниченную площадь.

Размерность снежинки Коха (при увеличении снежинки в 3 раза ее длина возрастает в 4 раза) D=log(4)/log(3)=1.2619...

Для построения геометрических фракталов хорошо приспособлены так называемые L-Systems. Суть этих систем состоит в том, что имеется определенных набор символов системы, каждый из которых обозначает определенное действие и набор правил преобразования символов.

Алгебраические фракталы.

Вторая большая группа фракталов - алгебраические. Свое название они получили за то, что их строят, на основе алгебраических формул иногда весьма простых. Методов получения алгебраических фракталов несколько. Один из методов представляет собой многократный (итерационный) расчет функции Zn+1=f(Zn), где Z - комплексное число, а f - некая функция. Расчет данной функции продолжается до выполнения определенного условия. И когда это условие выполнится - на экран выводится точка. При этом значения функции для разных точек комплексной плоскости может иметь разное поведение:

−с течением времени стремится к бесконечности;

−стремится к 0;

−принимает несколько фиксированных значений и не выходит за их пределы;

−поведение хаотично, без каких либо тенденций.

Чтобы проиллюстрировать алгебраические фракталы обратимся к классике - множеству Мандельброта.

Рисунок13- Множество Мандельброта

Для его построения нам необходимы комплексные числа. Комплексное число - это число, состоящее из двух частей - действительной и мнимой, и обозначается оно a+bi. Действительная часть a это обычное число в нашем представлении, а bi - мнимая часть. i - называют мнимой единицей, потому, что если мы возведем i в квадрат, то получим -1.

Комплексные числа можно складывать, вычитать, умножать, делить, возводить в степень и извлекать корень, нельзя только их сравнивать. Комплексное число можно изобразить как точку на плоскости, у которой координата Х это действительная часть a, а Y это коэффициент при мнимой части b.

Функционально множество Мандельброта определяется как

1=Zn*Zn+C.

Для построения множества Мандельброта воспользуемся алгоритмом на Бейсике.a=-2 to 2 " для всех действительных а от -2 до 2b=-2 to 2 " для всех мнимых b от -2 до 2

"Принадлежит множеству Мандельброта=True

"Повторяем 255 раз (для режима 256 цветов)

For iteration=1 to 255=Z0*Z0+C

"Проверили - непринадлежитabs(Zn)>2 then Lake=False: Exit For0=Zn

"Нарисовали черную точку,принадлежащую"озеру" Мандельброта.

If Lake=True Then PutPixel(a,b,BLACK)

" Нарисовали точку не принадлежащую множеству или лежащую на границе.

Else PutPixel(a, b, iteration)

А теперь опишем программу словами. Для всех точек на комплексной плоскости в интервале от -2+2i до 2+2i выполняем некоторое достаточно большое количество раз Zn=Z0*Z0+C, каждый раз проверяя абсолютное значение Zn. Если это значение больше 2, что рисуем точку с цветом равным номеру итерации на котором абсолютное значение превысило 2, иначе рисуем точку черного цвета. Все множество Мандельброта в полной красе у нас перед глазами.

Черный цвет в середине показывает, что в этих точках функция стремится к нулю - это и есть множество Мандельброта. За пределами этого множества функция стремится к бесконечности. А самое интересное это границы множества. Они то и являются фрактальными. На границах этого множества функция ведет себя непредсказуемо - хаотично.

Меняя функцию, условия выхода из цикла можно получать другие фракталы. Например, взяв вместо выражения С=a+bi выражение Z0=a+bi, а С присваивать произвольные значения мы получим множество Жюлиа, тоже красивый фрактал.

Для множества Мандельброта тоже проявляется самоподобие.

Стохастические фракталы

Типичный представитель данного класса фракталов «Плазма».

Рисунок14-Плазма

Для ее построения возьмем прямоугольник и для каждого его угла определим цвет. Далее находим центральную точку прямоугольника и раскрашиваем ее в цвет равный среднему арифметическому цветов по углам прямоугольника плюс некоторое случайное число. Чем больше случайное число - тем более «рваным» будет рисунок. Если, например, сказать, что цвет точки это высота над уровнем моря, то получим вместо плазмы - горный массив. Именно на этом принципе моделируются горы в большинстве программ. С помощью алгоритма, похожего на плазму строится карта высот, к ней применяются различные фильтры, накладывается текстура.

компьютерный графика векторный анимация

Заключение

В данной курсовой работе был изучен такой вопрос как история развития компьютерной графики, были даны понятия основным видам компьютерной графики, рассмотрены возможности компьютерной графики.

Изучив литературы по данной теме можно сделать вывод, что история графики не стоит на месте, а стремительно развивается.

В дальнейшем можно подробнее рассмотреть виды компьютерной графики и рассмотреть программы работы в компьютерной графики.

Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях коммерческой управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики и диаграммы.

Список использованных источников

1 Разработка электронных учебных изданий. Создание и использование информационных средств обучения: учеб. пособие / Н.Д. Изергин, [и др.]. - М.: Коломна, 2006. - 160 с. - ISBN 5-89-5-89-655-8974-0.

Фестиваль педагогических идей «Открытый урок». Создание электронного учебника / под ред. Трегубова О.П. - М.: Россия. - Режим доступа: http://festival.1september.ru/articles/526252/. - 20.06.2011.

Каким должен быть электронный учебник. / В.Б. Ясинский // Электронный журнал: ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ, 2000. - Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/011.pdf. - 21.06.2011.

Панкратова, Л.П.. Контроль знаний по информатике: Тесты, контрольные задания, экзаменационные вопросы, компьютерные проекты / Е.Н. Челак. СПб.: БХВ-Петербург. 2004. - 448 с. - ISBN 5-94157-371-5.

Стандарт Российской Федерации начального профессионального образования. Оператор электронно-вычислительных машин. ОСТ 9ПО 02.1.9 2002. 48 с.

Угринович, Н.Д. Информатика и информационные технологии. учебник / Н.Д. Угринович. Москва..: Издательство БИНОМ. Лаб. знаний, 2005. - 512 с. - ISBN 5-94774-001-8.

Информатика: учеб. пособие / А.В. Могилев. - 2-е изд., стер. - Москва..: Академия, 2008. - 336 с. - ISBN 978-5-7695-4771-3.

Практикум по информатике: учеб. пособие / А.В. Могилёв. Москва. Издательство Академия, 2001. 608 с. ISBN 5-7695-2247-Х.

Информатика. Учебник / В.А. Острейковский. 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004. - 511 с. - ISBN 5-06-003533-6.

11 Microsoft Office Word 2003.Учеб. пособие / Б. Хислоп. Москва. Диалектика, 2004. 784 с. ISBN 5-8459-0646-6, 0-7645-3971-X.

12 Microsoft Office 2003. Учеб. пособие.О.А. Меженный. - М.: Диалектика, 2004. 368 с. ISBN 5-8459-0838-8.

Работа на персональном компьютере (ПК) в офисе: учебный курс / О.С.Степаненко. Москва. Издательство Вильямс. 3-е изд.,2006. - 768 с. - ISBN 5-8459-0974-0.

Захарова, Л.А. Microsoft Word 2003. Практ.пособие серия «Шаг за шагом» (+ CD-ROM) / Л.А. Захарова. - М.:СП ЭКОМ, 2005. - 384 с. - ISBN 5-9790-0005-4.

Бэдет, А. Глоссарий компьютерных терминов / Д. Бурдхардт, А. Камминг,[ и др]. - 10-е изд.,М.: Изд-во: Вильямс, 2002. - 432 с. - ISBN 5-8459-0363-7, 0-2017-7629-4.

Гукин, Д. Иллюстрированный компьютерный словарь / Д. Гукин, С.Х. Гукин. - 4-е изд., Москва. Изд-во Вильямс, 2005. - 512 с. - ISBN 5-8459-0207-X, 0-7645-0732-X;

Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры ("Spacewar!") заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.

В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В 1964 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм "Кошечка", который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1968 году существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

В конце 60-х - начале 70-х в области компьютерной графики начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась.

За десятилетие системы стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением.

В конце 70-х в компьютерной графике произошли значительные изменения. Появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, не мерцающее изображение, работа с цветом. Впервые стало возможным получение цветовой гаммы. Растровая технология в конце 70-х стала явно доминирующей. Наиболее знаменательным событием в области компьютерной графики стало создание конце 70-х персонального компьютера. В 1977 году компания Apple создала Apple-II. Появление этого устройства вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Однако персональные компьютеры стимулировали процесс разработки периферийных устройств. Конечно, персональные компьютеры развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя.

Первоначально областью применения персонального компьютера были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, но его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательств. В конце 80-х возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразовывая его в стандартные форматы.

Однако акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений.

В 90-х стираются отличия между компьютерной графикой и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией.

Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудио возможности, и вы получите компьютерную среду мультимедиа. Возрастающий потенциал персональных компьютеров и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает устойчивый рост индустрии в отрасли. Графика все шире проникает в бизнес - сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого-либо графического элемента.

Отправной точкой развития компьютерной графики можно считать 1930 год, когда в США нашим соотечественником Владимиром Зворыкиным (рис.1.), работавшим в компании “Вестингхаус” (Westinghouse), была изобретена электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), впервые позволяющая получать изображения на экране без использования механических движущихся частей.

Началом эры собственно компьютерной графики можно считать декабрь 1951 года, когда в Массачусеттском технологическом институте (МТИ) для системы противовоздушной обороны военно-морского флота США был разработан первый дисплей для компьютера “Вихрь” (рис.2). 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) (рис.3). Эта программа могла рисовать достаточно простые фигуры (точки, прямые, дуги окружностей), могла вращать фигуры на экране.

Под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1 (рис.4.), разработанную совместно с IBM.

В 1965 году фирма IBM выпустила первый коммерческий графический терминал под названием IBM-2250 (рис.5).

В 1968 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4 (рис.6), выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка» (рис.7), который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (рис.8.) (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II (рис.9). Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными. Однако ПК стимулировали процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических планшетов.

В конце 70-х годов для космических кораблей “Шаттл” появились летные тренажеры, основанные на компьютерной графике.
В 1982 году на экраны кинотеатров вышел фильм “Трон” (рис.10) в котором впервые использовались кадры, синтезированные на компьютере.
В 1984 году был выпущен первый Macintosh, название которого произошло от сорта яблок "Макинтош" (рис.11) с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, но его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области САПР, так и в более общих областях бизнеса и искусства.

К концу 80-х программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских комплексов. В конце восьмидесятых возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразуя его в стандартные форматы CAD/CAM. Однако, акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных

В 90-х стираются отличия между КГ и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной , так и растровой информацией. Кроме того, появляется возможность работы с видео. Прибавьте аудиовозможности - и вы имеете компьютерную среду мультимедиа.

Все области применения - будь то искусство, инженерная и научная, бизнес/развлечения и - являются сферой применения КГ. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - обеспечивает устойчивый рост индустрии в данной отрасли.

Х/ф. «Трон», «Шрек»/

Формирование общих понятий о компьютерной графике

Но, в настоящее время существуют:

1. 
   Растровая графика.
2. 
   Векторная графика.
3. 
   Трехмерная графика.
4. 
   Фрактальная графика.
5. 
   Символьная графика

• 
  область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере ;
• 
  новая отрасль знаний, которая, с одной стороны, представляет комплекс аппаратных и программных средств, используемых для формирования, преобразования и выдачи информации в визуальной форме на средства отображения ЭВМ;
• 
  совокупность методов и приемов для преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление;
• 
  вид искусства.

Ожидаемые результаты:

1. 
   Студенты получат представление о видах графики.
2. 
   Узнают о сферах применения
3. 
   Научатся распознавать виды графики
4. 
   Получат практические навыки применения полученных знаний с использованием различных видов графики.

Виды графики

Представление данных на компьютере в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов. Сначала, графика применялась в научно-военных целях.

Под видами компьютерной графики подразумевается способ хранения изображения на плоскости монитора.

Машинная графика в настоящее время уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных изображений - от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Машинная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Знание её основ в наше время необходимо любому ученому или инженеру. Машинная графика властно вторгается в бизнес, медицину, рекламу, индустрию развлечений. Примене­ние во время деловых совещаний демонстрационных слайдов, под­готовленных методами машинной графики и другими средствам автоматизации конторского труда, считается нормой. В медицине становится обычным получение трехмерных изображений внутренних ­органов по данным компьютерных томографов. В наши дни телевидение и другие рекламные предприятия часто прибегают к услугам машинной графики и компьютерной мультипликации. Использование машинной графики в индустрии развлечений охватыва­ет такие несхожие области как видеоигры и полнометражные художественные фильмы.

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику подразделяют:

Показ презентации «Вектор-растр»

• 
  Растровая графика.
• 
  Векторная графика.
• 
  Трехмерная графика .
• 
  Фрактальная графика.
• 
  Символьная графика (устарела и на сегодняшний день практически не используется, поэтому рассматривать ее не будем)

Растровое изображение

Растровое изображение составляется из мельчайших точек (пикселов) – цветных квадратиков одинакового размера. Растровое изображение подобно мозаике - когда приближаете (увеличиваете) его, то видите отдельные пиксели, а если удаляете (уменьшаете), пиксели сливаются.

Компьютер хранит параметры каждой точки изображения (её цвет, координаты). Причём каждая точка представляется определенным количеством бит (в зависимости от глубины цвета). При открытии файла программа прорисовывает такую картину как мозаику – как последовательность точек массива. Глубина цвета - сколько битов отведено на хранение цвета каждой точки:
- в черно-белом - 1 бит
- в полутоновом - 8 бит
- в цветном - 24 (32) бита на каждую точку.

Растровые файлы имеют сравнительно большой размер, т.к. компьютер хранит параметры всех точек изображения.

Поэтому размер файла зависит от параметров точек и их количества:

• 
  от размера изображения (в большем размере вмещается больше точек),
• 
  от разрешения изображения (при большем разрешении на единицу площади изображения приходится больше точек).

Для уменьшения изображения приходится несколько соседних точек преобразовывать в одну или выбрасывать лишние точки. В результате изображение искажается: его мелкие детали становятся неразборчивыми (или могут вообще исчезнуть), картинка теряет четкость.

Исходное изображение

Фрагмент увеличенного изображения

Как Вы думаете, растровое изображение масштабируется с потерей качества или нет? (Растровое изображение масштабируется с потерей качества)

Растровоеизображение нельзя расчленить. Оно «литое», состоит из массива точек. Поэтому в программах для обработки растровой графики предусмотрен ряд инструментов для выделения элементов «вручную».

Например, в Photoshop - это инструменты «Волшебная палочка», Лассо, режим маски и др.

Оригинал Увеличенный фрагмент для показа массива точек

Близкими аналогами являются живопись, фотография

Программы для работы с растровой графикой:

Microsoft Photo Editor

Adobe Photo Shop

Fractal Design Painter

Micrografx Picture Publisher
Применение:

• 
  для обработки изображений, требующей высокой точности передачи оттенков цветов и плавного перетекания полутонов. Например, для:
• 
  ретуширования, реставрирования фотографий;
• 
  создания и обработки фотомонтажа, коллажей;
• 
  применения к изображениям различных спецэффектов;
• 
  после сканирования изображения получаются в растровом виде

Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике – линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы , параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно, представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра.

Компьютер хранит элементы изображения (линии, кривые, фигуры) в виде математических формул. При открытии файла программа прорисовывает элементы изображения по их математическим формулам (уравнениям).

Точка. Этот объект на плоскости представляется двумя числами (х, у), указывающими его положение относительно начала координат.

Прямая линия. Ей соответствует уравнение y = kx + b . Указав параметры k и b, всегда можно отобразить бесконечную прямую линию в известной системе координат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров. Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует для описания еще двух параметров – например, координат x 1 и х 2 начала и конца отрезка. Кривая второго порядка. К этому классу кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии, уравнения которых содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка не имеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривых второго порядка. Формула кривой второго порядка в общем виде может выглядеть, например, так:

x2+a1y2+a2xy+a3x+a4y+a5=0.

Кривая третьего порядка. Отличие этих кривых от кривых второго порядка состоит в возможном наличии точки перегиба. Например, график функции у = x 3 имеет точку перегиба в начале координат. Именно эта особенность позволяет сделать кривые третьего порядка основой отображения природных объектов в векторной графике. Например, линии изгиба человеческого тела весьма близки к кривым третьего порядка. Все кривые второго порядка, как и прямые, являются частными случаями кривых третьего порядка.

В общем случае уравнение кривой третьего порядка можно записать так:

x3+a1y3+a2x2y+a3xy2+a4x2+a5y2+a6xy+a7x+a8y+a9=0.

Таким образом, кривая третьего порядка описывается девятью параметрами. Описание ее отрезка потребует на два параметра больше.

Кривая третьего порядка (слева) и кривая Безье (справа)

Кривые Безье. Это особый, упрощенный вид кривых третьего порядка Метод построения кривой Безье (Bezier) основан на использовании пары касательных, проведенных к отрезку линии в ее окончаниях. Отрезки кривых Безье описываются восемью параметрами, поэтому работать с ними удобнее. На форму линии влияет угол наклона касательной и длина ее отрезка. Таким образом, касательные играют роль виртуальных “рычагов”, с помощью которых управляют кривой.

Векторное изображение масштабируется без потери качества: масштабирование изображения происходит при помощи математических операций: параметры примитивов просто умножаются на коэффициент масштабирования.
Изображение может быть преобразовано в любой размер
(от логотипа на визитной карточке до стенда на улице) и при этом его качество не изменится.

Векторноеизображение можно расчленить на отдельные элементы (линии или фигуры), и каждый редактировать , трансформировать независимо.

Векторные файлы имеют сравнительно небольшой размер, т.к. компьютер запоминает только начальные и конечные координаты элементов изображения -этого достаточно для описания элементов в виде математических формул. Размер файла как правило не зависит от размера изображаемых объектов, но зависит от сложности изображения: количества объектов на одном рисунке (при большем их числе компьютер должен хранить больше формул для их построения), характера заливки - однотонной или градиентной) и пр. Понятие «разрешение» не применимо к векторным изображениям.

Векторные изображения: более схематичны, менее реалистичны, чем растровые изображения, «не фотографичны».

Близкими аналогами являются слайды мультфильмов, представление математических функций на графике.

Программы для работы с векторной графикой:

Adobe Illustrator

Fractal Design Expression

Macromedia Freehand

Применение:

• 
  для создания вывесок, этикеток, логотипов, эмблем и пр. символьных изображений;
• 
  для построения чертежей, диаграмм, графиков, схем;
• 
  для рисованных изображений с четкими контурами, не обладающих большим спектром оттенков цветов;
• 
  для моделирования объектов изображения;
• 
  для создания 3-х мерных изображений;

Сравнение растрового и векторного изображения.

Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной матрицы, каждая ячейка которой - цветная точка. Т.е. основным элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем.
Трехмерная графика

Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и “гладкость” поверхности в целом.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

спроектировать и создать виртуальный каркас (“скелет”) объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

Спроектировать и создать виртуальные материалы , по физическим свойствам визуализации похожие на реальные; присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне – “спроектировать текстуры на объект”);

Настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, – задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

Задать траектории движения объектов;

наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Программы для работы с трехмерной графикой:

3D Studio MAX 5, AutoCAD, Компас

Применение:

• 
  научные расчеты,
• 
  инженерное проектирование,
• 
  компьютерное моделирование физических объектов
• 
  изделия в машиностроении,
• 
  видеороликах,
• 
  архитектуре,
• 
  изделиях машиностроения изображения моделируются и перемещаются в пространстве.

Фрактальная графика – одна из быстроразвивающихся и перспективных видов компьютерной графики. Математическая основа - фрактальная геометрия. Фрактал – структура, состоящая из частей, подобных целому. Одним из основных свойств является самоподобие. Фрактус – состоящий из фрагментов)

Объекты называются самоподобными, когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале.

В центре находится простейший элемент – равносторонний треугольник, который получил название- фрактальный.

На среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной =1/3а от стороны исходного фрактального треугольника

В свою очередь на средних отрезках сторон, являющихся объектами первого поколения строятся треугольника второго поколения1/9а от стороны исходного треугольника.

Таким образом, мелкие объекты повторяют свойства всего объекта. Процесс наследования можно продолжать до бесконечности.

Полученный объект носит название – фрактальной фигуры .

Абстрактные композиции можно сравнить со снежинкой, с кристаллом.

Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.

Программа для работы с фрактальной графикой:

Фрактальная вселенная 4.0 fracplanet

Применяют:

• 
  Математики,
• 
  Художники

Необходимо подробно рассмотреть форматы графических файлов.

Сравнительная характеристика