Компьютерная графика

 

Компьютерная  графика (машинная графика) - область деятельности, в которой копьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Также компьютерной графикой называют и результат этой деятельности. 

К основным сферам применения технологий компьютерной графики  относятся:

• Графический интерфейс пользователя;
• Спецэффекты, цифровая кинематография;
• Цифравое телевидение, всемирная паутина, видеоконференции;
• Цифровая фотография и возможности по обработке фотографий;
• Визуализация научных и деловых данных;
• Компьютерные игры, системы виртуальной реальности;
• Системы автоматизированного проектирования;
• Компьютерная томография;
• Компьютерная графика для кино и телевидения.

 
 

По  способам задания  изображений графику можно разделить на категории:

Двумерная графика

Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления  графической информации, и следующими из него алгоритмами обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют  на векторную и растровую, хотя обособляют ещё и фрактальный тип представления изображений.

Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор примитивов. Обычно в качестве них выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также как общий случай, сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например, толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок.

Изображение в  векторном формате даёт простор  для редактирования. Изображение  может без потерь масштабироваться, поворачиваться, деформироваться, также  имитация трёхмерности в векторной графике проще, чем в растровой. Дело в том, что каждое такое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается, и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остаётся прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например, коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении), или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя: Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают некоторый цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция).

Вместе с тем, не всякое изображение можно представить как набор из примитивов. Такой способ представления хорош для схем, используется для масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко используется для создания мультфильмов и просто роликов разного содержания. 

Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселов. Каждому пикселу сопоставляется значение — яркости, цвета, прозрачности — или комбинация этих значений. Растровый образ имеет некоторое число строк и столбцов.

Без особых потерь растровые изображения можно  только лишь уменьшать, хотя некоторые  детали изображения тогда исчезнут навсегда, что иначе в векторном представлении. Увеличение же растровых изображений оборачивается красивым видом на увеличенные квадраты того или иного цвета, которые раньше были пикселями.

В растровом  виде представимо любое изображение, однако этот способ хранения имеет свои недостатки: больший объём памяти, необходимый для работы с изображениями, потери при редактировании. 

Фрактальная графика

Фрактал — объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями.

Фракталы позволяют  описывать целые классы изображений, для детального описания которых  требуется относительно мало памяти. С другой стороны, к изображениям вне этих классов, фракталы применимы слабо.

Трёхмерная  графика (3D)

Трёхмерная  графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх.

В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными  преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы. В компьютерной графике используется три вида матриц:

• матрица поворота;
• матрица сдвига;
• матрица масштабирования.

Любой полигон  можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у  треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного.

СGI графика

CGI - Сomputer Generated Images (Генерированные Компьютерные Объекты)   

  Программы для работы с графикой

  Для работы с графическим изображениями  существует большое количество различных программ и пакетов, называемых графическими редакторами.

  Одной из таких программ является входящий в Windows графический редактор Paint. Используя его, можно считывать и сохранять изображение в широко известных растровых форматах. Он позволяет также рисовать различные примитивы, закрашивать области цветами и т. п.

  Другим  примером простого графического редактора  служит программа Photo Plus. Ее интерфейс подобен редактору Paint, однако программа обладает существенно большими возможностями. В ней, кроме известных возможностей рисования графических примитивов, реализованы функции сканирования изображения, конвертации с различным количеством битов глубины цвета, изменения яркости, контрастности и корректировки цветовой гаммы.

  Фирмой  Corel разработан графический пакет, в котором интегрированы несколько программ для обработки различных изображений. В состав пакета входят мощный графический редактор CorelDraw, позволяющий работать с векторными и растровыми изображениями, Corel Photo-Paint, ориентированный на обработку растровых изображений, в том числе высококачественных фотографий. 
 

Графические редакторы:

Изображения на экране создаются при помощи графических  программ:

• программы для создания иллюстраций (векторные);
• программы редактирования изображений (растровые);
• программы для создания трёхмерных изображений.

Растровые программы работают с сотнями и тысячами точек, которые формируют рисунок.

Векторные программы хранят информацию об объектах составляющих изображения в виде математических описаний.

Adobe PhotoShop - самая популярная программа в мире для редактирования растровых изображений.

Corel Draw - наиболее популярная векторная графическая программа.

Corel Xara - векторная графическая программа. 
 
 

Компьютерная инженерная графика - AutoCAD

Компьютерная векторная  графика делится на на несколько разделов, главные из которых: векторная художественная графика (например, 2D программы -- CorelDRAW, Adobe Illustrator..., 3D программы -- Ray Dream Studio, Bryce ...) и векторная инженерная графика (например, AutoCAD, TurboCAD, Solid Works, Inventor...). Одним из самых популярных инженерных программных пакетов является AutoCAD. Во всём мире насчитывается более 4 миллионов человек, работающих в нем.

Прикладная система AutoCAD (далее ACAD) программное средство представляющее собой прикладную систему  автоматизации чертежных работ  для персональных ЭВМ типа IBM PC .

Это развитое средство машинной графики, обеспечивающее быструю и точную подготовку и модификацию чертежа, исправления ошибок допускаемых в ходе черчения. Большим преимуществом такого средства рисования является возможность формирования электронного архива чертежей. Каждый из созданных в системе AutoCAD чертежей легко редактируется, что позволяет быстро разрабатывать чертежи-аналоги по чертежам-прототипам. Для облегчения процесса выпуска чертежной документации можно разрабатывать " библиотеки стандартных элементов". Эта идея стала хорошим стимулом для создания на базе системы локальных рабочих мест по различным конструкторским, архитектурным и другим направлениям (например, Mechanical Desktop, Architectural Desktop и т.п.), а также для разработки новых специализированных систем.

2000-ая версия ACAD была  разработана фирмой AutoDesk для Windows платформы, что позволило разработчикам  значительно облегчить использование  и изучение данного продукта. Система Windows позволила создать  интуитивно-понятный графический  интерфейс, оснащенный меню, панелями инструментов и системой контекстно-зависимой помощи. Сейчас наиболее активно применяются разные версии программы: 2004, 2005 и 2006. Они несильно отличаются друг от друга и обучившись на одной из них, можно достаточно быстро освоить и другие. Версия же 2007 относится к другому поколению и имеет значительно улучшенные возможности особенно в работе с 3D графикой. Активно входит в жизнь и версия 2008. 
 

В чем разница между векторными художественными и инженерными программами? 
Надо сказать, что разница между ними не очень велика. Разработчики каждой программы стараются снабдить свое творение максимальными возможностями, заимствуя их из программ конкурентов. Но в то же время инженерные программы значительно сильнее настроены на точное соблюдение размеров и чертежных стандартов. Современные версии также имеют богатые возможности по выбору оттенков и текстур создаваемых объектов.  
Кроме того, все увеличивающиеся возможности трехмерного представления объектов, делают инженерные программы все более популярными... 
 
 
 

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ —  совокупность операций и процедур, включающих формирование геометрической модели объекта и ее преобразование с целью получения желаемого изображения объекта и определения его геометрических свойств. Изображения изделий могут быть аксонометрическими или выполненными по правилам проекционного черчения. Среди рассчитанных при геометрическом моделировании параметров деталей типичны координаты центра масс, моменты инерции, объем и масса.  
 
 

Список литературы:

1. Дональд Херн, М. Паулин Бейкер Компьютерная графика и стандарт OpenGL = Computer Graphics with OpenGL. — 3-е изд. — М.: «Вильямс», 2005. — С. 1168. — ISBN 5-8459-0772-1
2. Эдвард Энджел Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL = Interactive Computer Graphics. A Top-Down Approach with Open GL. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2001. — С. 592. — ISBN 5-8459-0209-6
3. Сергеев Александр Петрович, Кущенко Сергей Владимирович Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. — М.: «Диалектика», 2006. — С. 544. — ISBN 5-8459-1094-3