Компьютерная графика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Северо-Казахстанский государственный  университет

им.  М. Козыбаева

   Факультет: Информационных технологий

Кафедра: Информатики  и Математики

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Тема:

 

                                                          Абенов Дулат Думанович

                                                                 -Экология

                                                       1-курс, группа ЭКОЛ-10

                                                      Форма обучения: очная

                                                                           Руководитель: Шебелистова О. В.

 

 

 

 

 

Петропавловск, 2011

 

Компьютерная графика

История

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 («Космические войны») 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 1968 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.

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

Основные области применения

Разработки в области  компьютерной графики сначала двигались  лишь академическим интересом и  шли в научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла  в повседневную жизнь, стало возможным  вести коммерчески успешные проекты  в этой области. К основным сферам применения технологий компьютерной графики  относятся:

• Графический интерфейс пользователя;
• Спецэффекты, Визуальные эффекты (VFX), цифровая кинематография;
• Цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;
• Цифровая фотография и существенно возросшие возможности по обработке фотографий;
• Цифровая живопись;
• Визуализация научных и деловых данных;
• Компьютерные игры, системы виртуальной реальности (например, тренажёры управления самолётом);
• Системы автоматизированного проектирования;
• Компьютерная томография.
• Компьютерная графика для кино и телевидения
• Лазерная графика.

Двумерная графика (2D)

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.

[править] Векторная графика

Пример  векторного рисунка

Основная  статья: Векторная графика

Векторная графика представляет изображение как набор геометрических 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.

[править] Растровая графика

Пример  растрового рисунка

Основная  статья: Растровая графика

Растровая графика всегда оперирует двумерным массивом (матрицей) пикселей. Каждому пикселю 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.

[править] Фрактальная графика

Фрактальное дерево

Основная  статья: Фрактал

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, фракталы слабо применимы к изображениям вне этих классов.

[править] Трёхмерная графика (3D)

Основная  статья: Трёхмерная графика

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 (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). 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/масштабированный относительно исходного.

Ежегодно проходят конкурсы трехмерной графики, такие как Magick next-gen или Dominance War.

[править] CGI графика

Основная  статья: CGI (кино)

[править] Представление цветов в компьютере

Основные  статьи: Цветовое пространство, Цветовая модель

Система цветопередачи RGB

Для передачи и хранения цвета в  компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат  в некоторой цветовой системе.

Стандартные способы хранения и  обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого  зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для работы в типографском деле.

Иногда используется система с  большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или  испускания источника, что позволяет  более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трёхмерном рендеринге.

[править] Реальная сторона графики

Любое изображение на мониторе, в  силу его плоскости, становится растровым, так как монитор это матрица, он состоит из столбцов и строк. Трёхмерная графика существует лишь в нашем  воображении, так как то, что мы видим на мониторе — это проекция трёхмерной фигуры, а уже создаём пространство мы сами. Таким образом визуализация графики бывает только растровая и векторная, а способ визуализации это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.

 

 

 

 

Литература

• Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. — СПб: БХВ-Петербург, 2003. — 560 с. — 3000 экз. — ISBN 5-94157-264-6
• Компьютер рисует фантастические миры (ч.2) // Компьютер обретает разум = Artificial Intelligence Computer Images / под ред. В.Л. Стефанюка. — Москва: Мир, 1990. — 240 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-03-001277-X (рус.); 7054 0915 5 (англ.)
• 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
• 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
• 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
• Кнабе Г. А. Энциклопедия дизайнера печатной продукции. Профессиональная работа.. — К.: «Диалектика», 2005. — С. 736. — 3000 экз. — ISBN 5-8459-0906-6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компьютерная графика  бывает векторной (для работы в CorelDraw) и растровой (для работы как Photoshop, так и в CorelDraw) (также бывает и трехмерная графика, но там все намного сложнее).

Растровое изображение — это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или точек цветов (на практике прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.  
Важными характеристиками изображения являются:  
1. Количество пикселей. Может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024*768, 640*480,...) или же, редко, общее количество пикселей (обычно измеряется в мегапикселях);  
2. Количество используемых цветов (или глубина цвета);  
3. Цветовое пространство RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и другие.  
Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов (например, Photoshop). Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде скриншотов.  
Основные плюсы растровой графики:  
1. Растровая графика позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому (в теории, конечно, возможно, но файл размером 1 МБ в формате BMP будет иметь размер 200 МБ в векторном формате).  
2. Распространённость — растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.  
3. Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.  
4. Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода/вывода графической информации, таких как монитор, принтер, цифровой фотоаппарат, сканер.  
Основные минусы (как видите, их все-таки меньше, чем плюсов):  
1. Большой размер файлов с простыми изображениями.  
2. Невозможность идеального масштабирования.  
Из за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику.  
Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.  
Можно использовать различные форматы сжатия, основанные на уменьшении избыточности информации.  
1. BMP или Windows Bitmap — обычно используется без сжатия.  
2. GIF (Graphics Interchange Format) — устаревающий формат, поддерживающий не более 256 цветов одновременно. Всё ещё популярен из за поддержки анимации, которая отсутствует в чистом PNG, хотя ПО начинает поддерживать APNG.  
3. PCX устаревший формат, позволявший хорошо сжимать простые рисованые изображения (при сжатии группы подряд идущих пикселей одинакового цвета заменяются на запись о количестве таких пикселей и их цвете).  
4. PNG (Portable Network Graphics)  
5. TIFF (Tagged Image File Format) поддерживает несколько алгоритмов сжатия, в том числе сжатие без потерь (LZW, LZ77, ZIP).  
Сжатие с потерями  
Форматы при отбрасывании части информации (как правило, наименее воспринимаемой глазом).  
1. JPEG очень широко используемый формат изображений. Сжатие основано на усреднении цвета соседних пикселей (информация о яркости при этом не усредняется) и отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.  
Другие форматы:  
1. TIFF поддерживает большой диапазон изменения глубины цвета, разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.  
2. RAW хранит информацию, непосредственно получаемую с матрицы цифрового фотоаппарата или аналогичного устройства без применения к ней каких-либо преобразований, а также хранит настройки фотокамеры. Позволяет избежать потери информации при применении к изображению различных преобразований (потеря информации происходит в результате округления и выхода цвета пикселя за пределы допустимых значений). Используется при съёмке в сложных условиях (недостаточная освещённость, невозможность выставить баланс белого и т.п.) для последующей обработки на компьютере (обычно в ручном режиме). Практически все полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты позволяют сохранять RAW изображения. Формат файла зависит от модели фотоаппарата, единого стандарта не существует.