МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ЧЕРНИГОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ И КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
Компьютерная графика
Конспект лекций по курсу „Компьютерная графика”
для студентов профессионального направления
0915 “Компьютерная инженерия”
Утверждено
на заседании кафедры
информационных и компьютерных систем
Протокол №
от 2008г.
Чернигов чгту 2008
Комп’ютерна графіка. Конспект
лекцій з курсу “Комп’ютерна графіка”
для студентів професійного напряму
0915 “Комп’ютерна інженерія” / Укл. С.О.
Нестеренко. – Чернігів: ЧДТУ, 2008. -
Укладач: Нестеренко Сергій Олександрович, канд.техн.наук, доцент
Відповідальний за випуск: |
Павловський В.І. , завідувач кафедри інформаційних та комп’ютерних систем, канд. техн. наук, доцент
|
Рецензент: |
Вервейко О.І.., канд.техн.наук, доцент |
1Введение в компьютерную графику
ПЛАН РАЗДЕЛА
Учебная литература по курсу
Предмет компьютерной графики
Роль зрения в общении человека с внешним миром
Интерактивность графических систем
Характеристики диалога
Краткая история комп. графики
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА (ОСНОВНАЯ)
1.Блінова, Порєв. Комп’ютерна графіка – К.: “Юніор”, 2004. - 456 с.
2. Шикин, Боресков. Компьютерная графика. Полигональные модели. – М.: Диалог-МИФИ, 2000.
3. Шикин, Боресков. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. – М.: Диалог-МИФИ, 1995.
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА (ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ)
1.Фоли, ван Дэм.Основы интерактивной машинной графики. В 2х книгах.- М.:Мир, 1985.
2. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики.-М.:Мир, 1989.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА
Обробка векторних зображень в Adobe Illustrator. Методичка до лаб робіт з КГ./ Укл. С.О.Нестеренко.- Чернігів, ЧДТУ,2002.
Обробка растрових зображень за допомогою Adobe Photoshop. Методичка до лаб робіт з КГ./ Укл. С.О.Нестеренко.- Чернігів, ЧДТУ,2001.
ПРЕДМЕТ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
Компьютерная графика как техническая дисциплина имеет дело с созданием, редактированием и трансформацией изображений средствами компьютерной техники и технологии. Практика ставит перед пользователями систем компьютерной графики в основном три типичных задачи, о которых будет сказано ниже. Решение имено этих задач и имеет своим предметом компьютерная графика как синтетическая инженерная дисциплина, лежащая на стыке компьютерных технологий, математики и искусства:
Перевод имеющегося (доступного для восприятия зрением человека) изображения на некотором материальном носителе во внутрикомпьютерную форму представления, которая физически является двоичными числовыми данными, организованными способом, удобным для программной обработки. Эту задачу в обиходе называют «оцифровкой изображения».
Задача, обратная первой. Изображение из внутрикомпьютерной числовой формы представления переводится (выводится) на материальный носитель как изображение, доступное человеку для рассмотрения непосредственно, т.е. с помощью зрения. Эту задачу называют «визуализация».
Изменение формы внутрикомпьютерного представления изображения. Например, имеющуюся векторную модель изображения преобразуют в растровую или наоборот. Это «перекодирование» изображения.
Предметом НАШЕГО УЧЕБНОГО КУРСА будут являться в основном базовые концепции, алгоритмы, математические методы и физические принципы, положенные в основу компьютерной графики. Изучение приемов работы с векторными и растровыми графическими программами вынесено в лабораторный практикум и носит вспомогательный, закрепляющий характер.
Почему «графика»?
Компьютерная графика столь важна для построения интерфейса «человек-компьютер», потому что 97% информации о внешнем мире человек получает через зрение.
ИНТЕРАКТИВНОСТЬ ГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Это способность системы вести диалог с пользователем. Эффективный диалок подразумевает следующее разделение функций между человеком и машиной.
ЧЕЛОВЕК обеспечивает формулировку и интерпретацию следующего:
Цели и задачи
Модель объекта
Методы решения
Критерии оптимальности
Оценка результатов
КОМПЬЮТЕР отвечает за то, что ему свойственно в большей степени:
Скорость и точность вычислений
Накопление, хранение, поиск информации
Быстрое и адекватное преобразование информации
Когда возможен диалог?
Когда есть цель. Главную цель ставит человек, вспомогательные (промежуточные) – компьютер.
Когда прием и передача информации в диалоге происходят попеременно.
Когда у участников диалога хотя бы в сумме есть знания, нужные для достижения цели диалога.
Когда человек понимает сообщения машины, а машина «понимает» команды человека (есть взаимопонимание).
Когда имеется совпадающее представление о предмете диалога.
УРОВНИ ОПЕРАТИВНОСТИ ДИАЛОГА СО СТОРОНЫ ПК
Лексический ( отклик до 50 мс)
Синтаксический (отклик 0,5 .. 4 с)
Семантический (отклик 10 с и более)
ОПЕРАТИВНОСТЬ ДИАЛОГА СО СТОРОНЫ ЧЕЛОВЕКА
Время отклика человека = Оценка ответа ПК + Обдумывание + ввод
«НЕПРЕРЫВНОСТЬ» ДИАЛОГА
Визуальная непрерывность обеспечивается тогда, кокогда при решении задачи взгляд человека направлен примерно в одну и ту же зону экрана.
Тактильно непрерывный диалог не требует переноса рук с одних диалоговых устройств на другие.
Контекстно непрерывный диалог не требует прерывания для решения вспомогательных вопросов.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ КГ
Условное начало:
1963 г. , Massachusset Institute of Technology,
докторская диссертация D. Sutherland.
СИСТЕМА SKETCHPAD
ВЕХИ 60-х -- 70-х годов ХХ века
1965-1968 гг (США, General Motors Corp.), Многопультовая САПР автомобиля, работала в режиме реального времени;
1972 (Великобритания) Строительная САПР. Ортогональные проекции, Просмотр 3-D сцен в перспективных проекциях. Векторные дисплеи.
… … …
… … …
1973 г. (Украина, КПИ и НИИ АСУ в строительстве) САПР электронных схем.
1975 г. (Украина, Киев) Система подготовки строительной проектной документации.
Резкое ускорение развития
1978-1981 гг
Графические интерфейсы ОС Apple, Sun Apollo. Игровые программы.
Освоение новых областей применения
1980-1990
Реклама, телевизионные заставки
1995 Первые успехи в синтезе видеосюжетов высокой реалистичности для кино. Виртуальная реальность.
ИТОГИ
1. КГ – синтетическая дисциплина, находится на стыке информатики, математики, компьютерных технологий и искусства.
2. Компьютерная графика – единственное средство резко усилить информативность интерфейса «Человек –компьютер».
3. Компьютерная графика все сильнее распадается на ряд родственных дисциплин:
- САПРы
- Системы обработки изображений
- Системы технического зрения
- Системы распознавания образов
- Трехмерное моделирование …
2 ВЕКТОРНЫе ИЗОБРАЖЕНИя
План раздела
Векторная форма представления изображения
Описание отрезка прямой
Бикубические криволинейные сегменты
Сплайны
Структура векторного произведения
ВЕКТОРНАЯ ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Векторная картинка
Дисплейный
файл
Исторически она восходит к периоду применения векторных дисплеев, на которых любое изображение строилось из отрезков прямых.
Примитив дисплейного файла –
ВЕКТОР с координатами Хнач, Унач, Хкон, Укон
Эти вектора были примитивами изображения.
СОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ПРИМИТИВА
|
Примитивы современных программных систем гораздо сложнее, что объясняется увеличенной функциональностью их обработки. |
ПРИМИТИВ – «СТРОИТЕЛЬНЫЙ БЛОК» ВЕКТОРНОГО ПРОИЗВЕДЕНИЯ
ОПИСАНИЕ ОТРЕЗКА ПРЯМОЙ
Классическое описание имеет недостаток – в нем плохо описывается вырожденное расположение отрезка по вертикали.
|
Параметрическое описание
Инвариантно относительно расположения отрезка. |
Отрезок программно моделируется как
Отрезок (x1, y1, x2, y2 )
БИКУБИЧЕСКИЕ КРИВОЛИНЕЙНЫЕ СЕГМЕНТЫ (БКС)
Они гораздо богаче по возможностям. Если параметрические уравнения x(t) и y(t) имеют вид полиномов 3-й степени, то, исключая t из этой пары уравнений, можно получить самые разные формы сегментов. Кривые второго порядка и отрезки прямых – частные случаи БКС.
ОПИСАНИЕ: Сегмент( ax, bx, cx, dx, ay, by, cy, dy)
ЗАДАНИЕ БКС ПО ЭРМИТУ
|
Эрмит предложил моделировать БКС как траекторию материальной точки с известными векторами начальной и конечной скоростей и в предположении, что закон изменения координат – кубический.
ОПИСАНИЕ: Сегмент( Р1x, P1y, P4x, P4y, R1x, R1y, R4x, R4y)
|
МАТРИЧНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ
Получение системы уравнений Эрмита
Учитывая начальные и конечные условия на конечных точках сегмента ( где t=0 и t=1), мохно записать:
Откуда легко получается система уравнений Эрмита:
РЕШЕНИЕ системы уравнений Эрмита – это вектор коэффициентов полиномов для расчета координат.
Или Сх = МЭх * GЭх.
МЭх – матрица Эрмита,
GЭх – геометрический вектор Эрмита.