ЛЕКЦИЯ 1

Введение.

1. История развития компьютерной графики и основные понятия.

Обычно гораздо легче отразить историю развития аппаратной, чем программной части, поскольку аппаратура оказывает большее влияние на развитие отрасли. Поэтому мы начнем с аппаратуры. Вывод незатейливых рисунков на устройства для получения твердых копий (телетайп) относится еще к первым дням использования ЭВМ. В системе противовоздушной обороны SAGE в середине 50-х годов впервые были применены дисплейные пульты управления и контроля использованием ЭЛТ, на которых оператор мог идентифицировать цели, указывая на них световым пером.

Практически одновременно с возникновением ЭВМ для вывода информации начали использоваться электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).

1. Векторные дисплеи.

рисунок

В середине 60-х годов появились первые векторные дисплеи. Они состоят из дисплейного процессора, дисплейной буферной памяти и ЭЛТ с относящейся к ней электронной частью. Буфер служит для запоминания подготовленного на ЭВМ дисплейного списка (или дисплейной программы); последняя включает команды вывода точек и отрезков (по координатам конечных точек), а также команды вывода литер. Команды рисования точек, отрезков и литер интерпретируются дисплейным процессором, который преобразует цифровые значения в аналоговые напряжения, управляющие электронным лучом, последний вычерчивает линии на люминофорном покрытии ЭЛТ. Поскольку светоотдача люминофора падает до нуля за десятки (максимум за сотни) микросекунд, дисплейный процессор должен осуществлять цикл по заданной программе с целью регенерации изображения на люминофоре с частотой не менее 30 раз в 1 с для устранения мерцания; в связи с этим буфер, в котором хранится дисплейная программа, обычно называется буфером регенерации.

В 60-х годах буферная память достаточно большого объема для типичных линейных рисунков (емкостью 8 — 32 кбайт) и достаточно быстрые процессоры для регенерации с частотой не менее 30 Гц были очень дороги, поэтому КГ в то время не нашла широкого применения.

Дисплейный процессор можно рассматривать как специализированный процессор, имеющий собственный набор команд, особые форматы данных и свой счетчик команд. Этот процессор выполняет последовательность дисплейных команд (дисплейный файл, который ниже называется дисплейной программой) и порождает рисунок на устройстве отображения. Отдельные дисплейные команды обычно рисуют точку, линию или цепочку литер.

Дисплейная программа в памяти символически представляет команды рисования, за которыми указываются значения (например, координаты х, у или литеры). Домик нарисован путем переноса (отклонения) электронного луча в начальную точку, включения луча и последовательного его смещения вдоль линий, образующих контур домика, от одной конечной точки к другой.

2. Растровые дисплеи.

рисунок

В середине 70-х годов была изобретена дешевая растровая графика, основанная на телевизионной технике, которая оказала сильное влияние на развитие машинной графики. В растровых дисплеях дисплейные примитивы (отрезки, литеры и закрашенные участки — обычно многоугольники) хранятся в памяти для регенерации в виде совокупности образующих их точек, называемых пикселами. Пиксель – наименьший элемент изображения, который может изменить яркость или цвет. Изображение формируется на растре, представляющем собой совокупность горизонтальных растровых строк, каждая из которых состоит из отдельных пикселов; таким образом, растр — это матрица из пикселов, покрывающая всю площадь экрана. Все изображение последовательно сканируется по отдельным строкам растра в направлении сверху вниз, при этом изменяется лишь интенсивность электронного луча для каждого пиксела в строке. Этот процесс сканирования называется растровой разверткой. Благодаря этому резко возрастает потребность в памяти, поскольку полное изображение, состоящее, например, из 512 строк по 512 пикселов, должно храниться непосредственно как битовая карта, содержащая только точки, которые находятся в однозначном соответствии с точками на экране. С другой стороны, для вывода простых изображений можно применять очень дешевую и выпускаемую серийно телевизионную аппаратуру.

Для использования растровой графики была разработана недорогая полупроводниковая память, благодаря чему емкость буферов регенерации стала существенно больше, а их стоимость снизилась во много раз. Разрешающая способность стандартных растровых графических систем пока еще ниже, чем разрешающая способность векторных (2048x1780 против 4096 X 4096 точек), а их аппаратная часть не обеспечивает достаточной скорости для динамических эффектов, обычных на дисплеях с высокой разрешающей способностью. Это связано с тем, что для всех пикселов таких примитивов, как отрезок прямой или прямоугольник, требуется преобразование координат, тогда как в векторном дисплее достаточно преобразовать лишь координаты конечных точек или вершин. Однако растровая графика (в отличие от векторной) позволяет закрашивать отдельные участки изображения (обычно разными цветами), что существенно повышает возможности передачи информации. Кроме того, процесс регенерации в этом случае не зависит от сложности изображения (число линий и т. д.), так как аппаратура обладает достаточным быстродействием, чтобы считать все пикселы из буферной памяти в течение цикла регенерации независимо от того, содержат они информацию или же служат лишь фоном. Благодаря этому устраняется мерцание. Векторные же дисплеи часто начинают мерцать, когда число примитивов в буфере становится таким большим, что его нельзя считать и обработать за 1/30 с, в результате чего изображение регенерируется недостаточно часто.

3. нач – сер 80 гг – появились дешевые мощные ПК, внедрились повсеместно во всех отраслях пром., а также быту => массовый характер применения получила КГ.

Одновременно с развитием аппаратного обеспечения КГ, шло развитие программной части и математической.

1. аппаратно-зависимые графические пакеты – нужны для полного использования ресурсов компьютера, зависят от типа компа и графических средств.

2. аппаратно-независимые

• графический язык

• расширение языков ВУ

• гр. пакеты подпрограмм, вызываемых из языков ВУ.

Существенный шаг вперед в середине 70-х годов был связан с осознанием необходимости стандартизации аппаратно-независимых графических пакетов. В результате появились широко известные технические требования к «Графической системе Core» (кратко называемой Core), разработанные группой АСМ GRAРН в 1977 г. и переработанные в 1979 г.

85 г. GPS ( Graphical Kernel System ) – на 2х, 3х мерную графику

Все основные алгоритмы и методы были разработаны в 60..70 гг.

Сейчас работа по повышению реалистичности изображения.

Сферы и области применения

Комп графика

• синтез изображений ( формализ. описание -> визуальное представление ) генерирование изображений, хранение, преобразование, синтезом изображений реально существующих или воображаемых объектов

• анализ изображений ( виз пр -> формализ. Описание ) распознавание образов (букв), восстановление двумерных или трехмерных объектов по их изображениям. Анализ изображений имеет важное значение при обработке аэрофотоснимков, фотографий поверхности Луны или Марса (передаваемых на Землю космическими аппаратами в виде медленно сканируемых телевизионных кадров), телевизионных изображений, поступающих от «глаза» промышленного робота, электронных микрофотографий хромосом и фотографий медицинских мазков, рентгеновских снимков и томограмм, а также отпечатков пальцев.

• обработка изображений (виз пр -> виз пр ) повышение качества изображений. Подобласти обработки образов в зависимости от главной цели называются улучшением изображений, обнаружением и распознаванием образов, анализом сцен и машинным видением. Целью же может быть улучшение изображения путем подавления «шумов», например «снега» на телевизионном экране, изменение контрастов, обнаружение и выделение стандартных образов, выявление отклонений от стандартных образов (т. е. искажений) или даже распознавание (реконструкция) трехмерных моделей объектов в сцене по нескольким двумерным изображениям.

В курсе КГ рассматривается синтез изображений.

Машинная графика в настоящее время используется повсеместно, где есть компьютер:

бизнес, экономика - Графики, диаграммы, т.е. представление информации в графическом виде.

Картография. Машинная графика используется для точного представления на бумаге или пленке географических и других природных явлений.

- развлечения (видеоигры, анимация, фильмы и т.д)

Автоматизация чертежных и конструкторских работ. В системах автоматизированного проектирования (САПР) машинная графика используется при проектировании компонент и систем механических, электрических, электронных устройств. К таким системам относятся сложные структуры (например, здания, химические и энергетические установки, кузова автомобилей, фюзеляжи самолетов и корпуса судов и их внутренние части), оптические схемы, телефонные сети и сети ЭВМ.

Моделирование и визуализация процессов. Все большую популярность приобретают изготовленные с помощью ЭВМ мультфильмы, демонстрирующие поведение различных реальных или моделируемых объектов во времени. С их помощью можно изучать не только математические фигуры, но также математические модели для таких исследуемых наукой явлений, как поток жидкости, ядерные и химические реакции, физиологические системы и деформация конструкций под нагрузкой, путем визуального представления эффектов видоизменения.

Тренажеры (имитация реальной обстановки)

Искусство и реклама. Общей целью компьютерного искусства и рекламы являются выражение некоторого смысла и привлечение внимания публики с помощью эстетически приятных изображений..

полиграфия, издательское дело

виртуальная реальность – совокупность средств, позволяющих создать у человека иллюзию, что он находится в искусственно созданном мире, путем подмены обычного восприятия окружающей действительности информацией, генерируемой компьютером. Достигается за счет применения 3х мерной графики и специальных устройств.

КГ должна быть:

1. интерактивной, т.е. изображение должно формироваться в диалоге с человеком.

2. изображение должно динамически меняться в реальном времени

3. изображение должно быть высокореалистичным

КГ – лучший интерфейс между человеком и ЭВМ, т.е. визуальная информация наиболее восприимчива человеком, а графическая информация – наилучшее средство представления информации ( “окно в ЭВМ” )

Основные шаги синтеза изображений.

рисунок

В основе синтеза 3хмерных изображений лежит принцип фотоаппарата

1. Описание объекта или объектов. Создается компьютерная модель (геометрические параметры, атрибуты, поведение, цвет, взаимное расположение объектов, текстовую и др. информацию). Обычно для хранения модели используется СУБД.

2. Геометрическое преобразование объектов в пространстве ( перенос, поворот, масштабирование). Построение сцены.

3. Выбрать видимую часть сцены (расположение точки наблюдения, окна экрана-отсечение – т.е. выбор ракурса сцены)

4. Удаление невидимых поверхностей в в зависимости от метода.

5. Преобразовать из 3х мерного представления в 2х мерное в плоскости экрана.

6. Придать объекту реалистичный вид, согласно его описания ( закраска в зависимости от модели освещения, наложение текстур )

7. Растрирование изображения.

8. Использование и сохранение полученного образа