1839

11

то рассматривается преобразование для этих двух форм представления информации в компьютерную графику и обратно. При этом основное внимание нужно уделять графической форме представления, так как она лежит в основе организации взаимодействия пользователя и ЭВМ.

В рамках данной темы необходимо рассматривать графические системы на основе персональных компьютеров, являющихся центральным звеном графической системы, на которой замыкаются все операции по вводу, преобразованию и выводу изображений. При рассмотрении этой темы необходимо дать ответы на следующие вопросы:

1.Показать классификацию технических средств компьютерной графики

2.Основные характеристики электронно - вычислительных машин.

3.Устройства ввода графической информации:

-логические устройства ввода;

-диалоговые устройства ввода;

-устройства указания;

-кодировщики;

-лазерный дисковод;

4.Сканер

5.Технические средства вывода графической информации. Классификация средств вывода.

6.Графические терминалы (дисплеи):

-графический дисплей на запоминающейся трубке;

-векторный графический дисплей с регенерацией изображения (дисплей с произвольным сканированием);

-растровые графические дисплеи с регенерацией изображения.

7.Устройство ч/б и цветной растровой трубок.

.8 Перспективы развития электронно - лучевых трубок.

9. Устройства вывода графической информации (получение твердой копии). Классификация устройств получения твердой копии.

10.Принтеры:

-матричные;

-струйные;

-лазерные. 11.Плоттеры

Тема. 4.3. Элементы базовой графики

Создание графического образа фигуры (объекта) всегда в определенной степени связано с геометрическими построениями на плоскости, в пространстве, поскольку идентификация объекта, его позиционирование всегда связано с заданием (определением) координат. Геометрические фигуры описываются различными способами:

12

-совокупностью линий (системой уравнений, описывающих линии) и поверхностей, геометрических и алгебраических соотношений;

-графами;

-таблицами;

-с использованием специализированных языков графического программирования или графического расширения языков программирования общего назначения.

Вопросы по конкретным требованиям к виду проектирования (на плос-

кости, в пространстве) решаются, исходя из конкретных задач и условий геометрических построений, характера используемых моделей, которые можно непосредственно применять для формирования графических изображений объектов с помощью средств компьютерной графики.

Успешное использование средств компьютерной графики предполагает определение эффективного способа общения пользователя с графической программой при формировании и изменении объектов и их изображений, знание классов элементарных или составных объектов, которые должны формироваться и представляться графически. Для понимания этого факта необходимо рассматривать концептуально отдельные этапы преобразований, общепринятые для прикладных интерактивных программных средств, позволяющих перейти от представления объекта к его образу.

Для раскрытия темы необходимо ответить на следующие вопросы:

1.Концептуальная модель интерактивной графики.

2.Структура данных.

3.Построение прикладной модели.

4.Описание объектов.

5.Блок – схема графической системы. Понятие простого графиче-

ского пакета.

6.Примитивы компьютерной графики.

7.Физические и графические примитивы.

8.Атрибуты примитивов.

Тема 4.4. Алгоритмические основы растровой графики

Изучая алгоритмические основы компьютерной графики необходимо учитывать тот факт, что применение базовых алгоритмов компьютерной графики правомерно как для векторной, так и для растровой графики. Кроме того, растровые системы в настоящее время успешно конкурируют с векторными, поскольку способны не только создать свободное от мерцания изображение, но

идинамически изменять и выборочно модифицировать его. Растровое изображение обладает более высокой яркостью, более широким диапазоном тоновых

иособенно цветных оттенков. Кроме того, растровые системы находят все

13

большее применение, успешно заменяя векторные. Единственным недостатком растровой графики является дискретный характер представления изображений в виде массива пикселей, что приводит к зазубренности и другим визуальным эффектам. Эти эффекты сводятся к минимуму увеличением пространственной разрешающей способности, а также более тонким управлением яркостью луча.

Вопросы к теме:

1Проблема разложения изображения в растр.

2Простой пошаговый алгоритм вычерчивания прямых отрезков.

3Разложение отрезка в растр по алгоритму Брезенхема.

4Вычерчивание кривых; алгоритм Брезенхема для генерации окружности.

5Разложение в растр – способ генерирования изображения.

-растровая развертка в реальном времени (коротко основные

положения);

-групповое кодирование;

-клеточная организация, изображение отрезков и литер;

-растровая развертка многоугольников;

-алгоритм заполнения затравкой.

6.Алгоритмы отсечения:

-постановка задачи;

-видовая операция, двухмерное отсечение на плоскости;

-алгоритм отсечения Сазерленда – Коэна;

-алгоритм отсечения средней точкой;

-отсечение текста.

7.Алгоритм удаления ступенчатости (идея метода).

Тема 4.5. Координатные системы. Геометрические преобразования

Приступая к изучению и обсуждению механизмов преобразования изображения, необходимо определить условия фиксации положения изображения или частей его, дающих возможность показать соотношения между объектами (элементами)−прототипами до и после выполнения преобразований.

Система правил, соотношений и изобразительных (графических) средств, позволяющая задать (определить) положение объекта внимания на плоскости или в пространстве, определяется как система отсчета ,система координат (КС), по которой каждой точке пространства ставится в соот-

ветствие набор чисел (координат). Число координат, которые требуются для описания положения точки, определяет размерность пространства и наличие двухмерной или трехмерной графики. Двухмерная графика использует два понятия – высота и ширина и не вызывает особых затруднений при работе с изображением. В понятии трехмерная графика заложено указание на то, что придется работать с тремя пространственными измерениями – высотой, шириной и глубиной. Не вдаваясь в тонкости понятия “трехмерная графика”, отметим, что

14

при работе с графическими средствами компьютерной графики необходимо помнить – что созданные изображения реальных объектов существуют только в памяти компьютера. Они не имеют физической формы, поскольку это не что иное, как совокупность математических уравнений и движение электронов в микросхемах. А так как эти объекты не могут существовать вне компьютера, то единственным способом их увидеть в реальном свете является добавление новых уравнений, описывающих условия освещения и точки зрения.

Вопросы по теме

1.Системы фиксации положения объектов на плоскости. Координатные

системы:

-абсолютные и мировые координаты;

-аффинное координатное пространство;

-относительная и полярная система координат;

-физические и нормированные системы координат;

-однородная система координат;

-пользовательская система координат.

2.Геометрические и аффинные преобразования на плоскости:

-аффинные преобразования;

-вращение относительно начала координат;

-масштабирование;

-отражение;

-преобразование системы координат;

-матричная форма представления преобразований;

-композиция двухмерных преобразований.

Тема 4.6. Концепция построения трехмерных изображений

Когда обсуждаются возможности и задачи компьютерной графики, то в самом названии «трехмерная графика» заложено указание на то, что при работе в этой области и решении ее проблем необходимо использовать три пространственных измерения: ширину, высоту и глубину. Кроме того, заметим, что термин «трехмерная графика» в определенной степени является искажением истины, поскольку на деле трехмерная компьютерная графика является образом, созданного двумя проекциями воображаемого трехмерного мира на двухмерной видовой поверхности - экран дисплея, бумага на поле графопостроителя и т.п.

Вопросы по теме

1.Концепция построения трехмерных изображений.

2.Координаты в трехмерном пространстве.

3.Изображение в трехмерной графике.

4.Проекции и их роль в трехмерной графике:

-центральные (перспективные) проекции;

15

-параллельные проекции;

5.Задание произвольных трехмерных объектов.

6.Трехмерное отсечение.

7.Аффинные преобразования в трехмерном пространстве.

8.Проектирование в пространстве:

-приближенное воспроизведение поверхностей. Методы аппроксимации поверхностей;

-метод Эрмита;

-метод Безье;

-метод B-сплайна.

Тема 4.7. Геометрическое моделирование

Создание графического образа фигуры (объекта) всегда в определенной степени связано с геометрическими построениями на плоскости, в пространстве, поскольку идентификация объекта, его позиционирование всегда связано с заданием (определением) координат. Геометрические фигуры описываются различными способами:

-совокупностью линий (системой уравнений, описывающих линии) и поверхностей, геометрических и алгебраических соотношений;

-графами;

-таблицами;

-с использованием специализированных языков графического программирования или графического расширения языков программирования общего назначения.

Вопросы по конкретным требованиям к виду проектирования (на плос-

кости, в пространстве) решаются, исходя из конкретных задач и условий геометрических построений, характером используемых моделей, которые можно непосредственно применять для формирования графических изображений объектов с помощью средств компьютерной графики.

Успешное использование средств компьютерной графики предполагает определение эффективного способа общения пользователя с графической программой при формировании и изменении объектов и их изображений, знание классов элементарных или составных объектов, которые должны формироваться и представляться графически. Для понимания этого факта необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1.Постановка задачи геометрического моделирования на плоскости и в пространстве.

2.Понятие модели.

3.Графические примитивы

4.Виды геометрических и математических моделей и их свойства:

-геометрические модели;

16

-структурные модели;

-рецепторные модели;

-аналитические геометрические модели;

-модели объемных объектов.

5.Операции над моделями. Моделирование сплошными геометрическими конструкциями.

6.Построение поверхностей и тел.

Тема 4.8. Построение реалистических изображений

Во многих случаях изображение представляет собой легкий, дешевый и более эффективный способ наблюдения предварительных результатов, чем изготовление моделей и опытных образцов. Кроме того, визуализация позволяет рассмотреть большее количество вариантов проекта, предъявить законченный проект или оценить правильность процесса дизайн−проектирования, поскольку цифровое описание трехмерного объекта уже готово для использования в качестве основы для формирования изображений. Наконец, визуализация моделей объектов, сформированных средствами компьютерной графики, может иметь самодостаточную ценность, например, при создании рекламы или анимационного клипа. Данное направление в последнее время получило широкое распространение благодаря простоте формирования сложных трехмерных объектов.

Вопросы по теме

1.Основные методы построения реалистических изображений.

2.Физические и психологические факторы, учитываемые при создании реалистических изображений.

3.Простая модель освещения.

4.Модель освещения со спецэффектами: учет типа источника света, направления и его интенсивности, ограничение области освещения.

5.Модель освещения, учитывающая отражение, прозрачность, прелом-

ление.

6.Методы закраски:

-однотонная закраска;

-закраска методом Гуро;

-закраска методом Фонга.

7.Алгоритмы создания теней и учета фактуры поверхности

Тема 4.9. Цвет в компьютерной графике

Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зрительного ощущения и повышения информационной насыщенности изображения. Но он по разному описывается в компьютерной графике, полиграфии, фотографии, биологии.

17

В природе цвет не является неотъемлемым свойством объектов (как, например, масса и ускорение). Для его возникновения как свойства конкретного предмета требуется одновременное наличие трех непременных условий: самого объекта, света и наблюдателя, способного видеть отраженный (пропущенный, излучаемый) объектом цвет.

Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн от 400 до 700 нм как видимый свет (1 нм = 10-9 м). Свет принимается либо непосредственно от источника, например электрической лампочки, либо косвенно при отражении от поверхности объекта или преломлении в нем. Используя эти положения, надо дать ответы на следующие вопросы темы:

1.Понятие цвета.

2.Физика и биология цвета.

3.Способ описания цвета. Законы Гроссмана.

4.Цветовые модели:

-модель RGB;

-модель CMY(K). Цветоделение. Цветовая палитра;

-другие модели.

5.Цветовой охват.

6.Цветовые профили.

7.Сквозной контроль цвета.

8.Глубина цвета.

9.Преобразование цветных изображений.

Тема 4.10. Основы растровой графики

Принцип построения растровых изображений основан на конечности разрешающей способности глаза, когда при сближении двух точек глаз перестает их различать. Растровое изображение можно представить как массив пикселей, каждый из которых имеет цвет. Соответственно, растр – представление изображения, выражаясь языком математики, методом дифференцирования (деления непрерывности на элементарные отрезки). Именно из принципа представления растрового изображения и проистекают его недостатки. Совершенно очевидно, это относительно большая размерность1. Кроме того, элементарная единица изображения пиксель – неделима. Отсюда невозможность масштабирования растрового изображения. Увеличив растровое изображение раз в 10, единственно, что можно будет увидеть – нагромождение цветных квадратиков в стиле раннего авангарда, понять смысл которого можно только издалека, до и то, если позволит размер экрана.

Вопросы по теме 1. Что такое растр и его характеристики?

1 Об этом подробнее будет сказано при рассмотрении параметров растрового изображения

18

2.Основные понятия растровой графики:

-динамический диапазон;

-масштабирование и размер;

-изображение для печати и электронной публикации;

-технология подготовки растровой графики;

3.Источники растровых изображений.

4.Подготовка изображений для Internet

5.Сканирование.

6.Программы для растровой графики:

-Corel Photo – Paint;

-Adobe Photoshop.

Тема 4.11. Основы векторной графики

Любое изображение можно представить как совокупность фигур (замкнутых линий), окрашенных в тот или иной цвет. Именно так создается с помощью карандашей и кисточек изображение, именно на этом принципе построены векторные форматы. Это и определяет основные достоинства вектора. Отсутствие необходимости описывать каждый пиксель позволяет значительно сократить объем файла даже при довольно больших размерах изображения. Известно, что при умножении функции на постоянное число, форма описываемой кривой не изменяется. Отсюда векторное изображение – идеальный объект для масштабирования. Увеличенное в десятки раз векторное изображение будет выглядеть не хуже оригинала. Однако, получив возможность управлять размерами, мы теряем гибкость работ с цветом, свойственную растровым изображениям. Поэтому векторные редакторы используются для создания изображений с последующей их доводкой и нюансировкой, придания им реалистичности в растровых редакторах.

1. Векторные объекты.

2.Математические основы векторной графики

3.Кривые Безье. Основные свойства.

4.Фрактальная графика.

5.Программы векторной графики: возможности, приемы работы, области применения:

-Adobe Illustrator;

-Macromedia Freehand;

-Corel Draw.

Тема 4.12. Прикладное использование трехмерной графики и трехмерных изображений

В процессе проектирования, управления производственными процессами, подготовки к печати книг и создании динамических изображений, обра-

19

ботки экспериментальных данных с помощью компьютерных систем наиболее приемлемым способом взаимодействия является изображение (чертеж, картина, диаграмма, график). Именно изображение является наиболее информативным источником данных и знаний для человека. По сравнению с другими органами восприятия зрительное восприятие более чем на порядок информативнее языка цифр, букв или звука.

1.Классификация применений.

2.Автоматизированное проектирование – ACAD 14-* (один из вопросов реализации трехмерного изображения).

3.Компьютерная графика в образовании (когнитивные аспекты компьютерной графики).

4.Системы компьютерной графики на IBM PC:

-деловая графика;

-иллюстративная графика;

-инженерная графика;

-научная графика.

5.Динамика реалистических изображений (3D Studio Max).

6.Adobe PhotoShop (назначение, основные приемы работы).

7.Векторный пакет CorelDraw 9 (функциональные возможности).

8.Распознавание образов.

9.Тренажеры.

10.Мультипликация.

11.Графика в кино, искусстве и телевидении.

12.Компьютерные игры.

Тема 4.13. Графика в системе визуального проектирования

Поскольку системы компьютерной графики в изучаемом курсе рассматриваются в приложениях IBM PC совместимых компьютерах, работающих в среде операционной системы Windows, то и прикладные задачи пользователя (приложения), естественно, будут рассматриваться (программироваться) в этой среде.

Система Windows создавалась с расчетом на то, что она станет наиболее используемым программным продуктом. Эта операционная среда действительно стала стандартом ОС для большинства персональных IBM PC совместимых компьютеров.

Выбор языка VB для создания Windows-приложения (проекта) обусловлен тем, что язык обладает чрезвычайно развитыми средствами визуального проектирования. В среде VB разработчик может сосредоточиться на решении прикладной части задачи. Пользовательский графический интерфейс создается путем использования и размещения специальных графических элементов на экране и связыванием их с событиями, выполняемыми пользователем по ходу

20

выполнения программы. Технология визуального программирования, став доступной для широкого круга программистов именно в среде Visual Basic, широко применяется и в других системах программирования, таких как Delphi, Java и др.

Кроме того, такой параметр как память для большинства ЭВМ не является критичным, стоимость аппаратуры уменьшается, а графическая насыщенность программных продуктов для ПЭВМ увеличивается, поэтому ставится задача оптимизации условий пользователя, а не ЭВМ. Вопросы создания графического интерфейса в создаваемых программных продуктах выходит на передний план. Успех применения в большей степени зависит от простоты его использования. Простота использования, но не простота реализации, является внешним параметром при проектировании интерактивной системы.

Использование графики – ключевая особенность многих программ, работающих в среде Windows. VB обеспечивает широкий набор средств для включения в приложение и управления готовыми графическими образами, а также для создания собственных графических образов, интерфейсов пользователя.

Вопросы по теме

1.Построение графического интерфейса. Постановка задачи. Требования. Условия реализации.

2.Графические элементы управления в языке визуального програм-

мирования Visual Basic 6:

-система координат;

-свойства и методы масштабирования.

3.Рисование линий и фигур:

-графические элементы управления и графические методы

-установка цвета;

-использование относительной системы координат;

-рисование прямоугольников;

-рисование окружностей;

-рисование кривых.

5.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО МЕТОДИКЕ ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА ТЕМ

Учебный материал по каждой теме, изучаемый самостоятельно, необходимо, как минимум, проработать дважды. При первом прочтении необходимо охватить материл целиком, понять, о каком изображении идет речь, уяснить его особенности, и, исходя из сложившейся ситуации, возможностей компьютерной графики, принять решение о технике получения результата, объясняя при этом, почему для моделирования данной ситуации построения изображения на