ГРАФИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

· Сферы применения компьютерной графики

· Основные направления в компьютерной графике

· Краткая история

· Цветовые модели

· Растровое представление графической информации

· Векторное представление графической информации

· Фрактальное представление графической информации

· Типы графических файлов, графические форматы

80% информации человек получает посредством зрения. Поэтому необходимо активное развитие способов человеко-машинного взаимодействия. Основная функция компьютера – обработка информации (в том числе и графической).

Компьютерная графика - это область информатики, которая охватывает все стороны формирования изображений с помощью компьютера.

Появившись в 1950-х годах, она поначалу давала возможность выводить лишь несколько десятков отрезков на экране. В наши дни средства компьютерной графики позволяют создавать реалистические изображения, не уступающие фотографическим снимкам Трехмерные изображения используются в медицине (компьютерная томография), картографии, полиграфии, геофизике, ядерной физике и других областях. Телевидение и другие отрасли индустрии развлечений используют анимационные средства компьютерной графики (компьютерные игры, фильмы). Общепринятой практикой считается также использование компьютерного моделирования при обучении пилотов и представителей других профессий (тренажеры). Знание основ компьютерной графики сейчас необходимо и инженеру, и ученому.

Конечным результатом применения средств компьютерной графики является изображение, которое может использоваться для различных целей

Сферы применения компьютерной графики

Сферы применения компьютерной графики включает четыре основных области.

1. Отображение информации

Проблема представления накопленной информации (например, данных о климатических изменениях за продолжительный период, о динамике популяций животного мира, об экологическом состоянии различных регионов и т.п.) лучше всего может быть решена посредством графического отображения.

Ни одна из областей современной науки не обходится без графического представления информации. Помимо визуализации результатов экспериментов и анализа данных натурных наблюдений существует обширная область математического моделирования процессов и явлений, которая просто немыслима без графического вывода. Например, описать процессы, протекающие в атмосфере или океане, без соответствующих наглядных картин течений или полей температуры практически невозможно. В геологии в результате обработки трехмерных натурных данных можно получить геометрию пластов, залегающих на большой глубине.

В медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Томография (в частности, ультразвуковое исследование) позволяет получить трехмерную информацию, которая затем подвергается математической обработке и выводится на экран. Помимо этого применяется и двумерная графика: энцефалограммы, миограммы, выводимые на экран компьютера или графопостроитель.

2. Проектирование

В строительстве и технике чертежи давно представляют собой основу проектирования новых сооружений или изделий. Процесс проектирования с необходимостью является итеративным, т.е. конструктор перебирает множество вариантов с целью выбора оптимального по каким-либо параметрам. Не последнюю роль в этом играют требования заказчика, который не всегда четко представляет себе конечную цель и технические возможности. Построение предварительных макетов - достаточно долгое и дорогое дело. Сегодня существуют развитые программные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (САПР, CAD, CAM), позволяющие быстро создавать чертежи объектов, выполнять прочностные расчеты и т.п. Они дают возможность не только изобразить проекции изделия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон.

3. Моделирование

Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при полете самолета или космического аппарата, движении автомобиля и т.п. В английском языке это лучше всего передается термином simulation. Но моделирование используется не только при создании различного рода тренажеров. В телевизионной рекламе, в научно-популярных и других фильмах теперь синтезируются движущиеся объекты, визуально мало уступающие тем, которые могут быть получены с помощью кинокамеры. Кроме того, компьютерная графика предоставила киноиндустрии возможности создания спецэффектов, которые в прежние годы были попросту невозможны. В последние годы широко распространилась еще одна сфера применения компьютерной графики - создание виртуальной реальности.

4. Графический пользовательский интерфейс

На раннем этапе использования дисплеев как одного из устройств компьютерного вывода информации диалог "человек-компьютер" в основном осуществлялся в алфавитно-цифровом виде. Теперь же практически все системы программирования применяют графический интерфейс. Особенно впечатляюще выглядят разработки в области сети Internet. Существует множество различных программ-браузеров, реализующих в том или ином виде средства общения в сети, без которых доступ к ней трудно себе представить. Эти программы работают в различных операционных средах, но реализуют, по существу, одни и те же функции, включающие окна, баннеры, анимацию и т.д.

Основные направления в компьютерной графике

В современной компьютерной графике можно выделить следующие основные направления:

изобразительная компьютерная графика, обработка и анализ изображений, анализ сцен (перцептивная компьютерная графика), компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика, т.е. графика, способствующая познанию).

Изобразительная компьютерная графика своим предметом имеет синтезированные изображения. Основные виды задач, которые она решает, сводятся к следующим:

· построение модели объекта и формирование изображения;

· преобразование модели и изображения;

· идентификация объекта и получение требуемой информации.

Обработка и анализ изображений касаются в основном дискретного (цифрового) представления фотографий и других изображений. Средства компьютерной графики здесь используются для:

· повышения качества изображения;

· оценки изображения - определения формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов;

· распознавания образов - выделения и классификации свойств объектов (при обработке аэрокосмических снимков, вводе чертежей, в системах навигации, обнаружения и наведения).

Анализ сцен связан с исследованием абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках. К таким задачам относятся, например, моделирование "машинного зрения" (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта (внутреннего органа), разработка систем видеонаблюдения.

Когнитивная компьютерная графика - только формирующееся новое направление, пока еще недостаточно четко очерченное. Это - компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. Технической основой для нее являются мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации. Одним из наиболее ранних примеров использования когнитивной компьютерной графики является работа Ч. Страуса "Неожиданное применение ЭВМ в чистой математике" (ТИИЭР, т. 62, № 4, 1974, с.96-99). В ней показано, как для анализа сложных алгебраических кривых используется "n-мерная" доска на основе графического терминала. Пользуясь устройствами ввода, математик может легко получать геометрические изображения результатов направленного изменения параметров исследуемой зависимости. Он может также легко управлять текущими значениями параметров, "углубляя тем самым свое понимание роли вариаций этих параметров". В результате получено "несколько новых теорем и определены направления дальнейших исследований".

Краткая история

Время больших компьютеров (эра до персональных компьютеров).

Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика развивалась на математическом уровне и выводилась на принтере в виде текста, напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители появились в конце 60-х годов.

Первой официально признанной попыткой использования дисплея для вывода изображения из ЭВМ явилось создание в Массачусетском технологическом университете машины Whirlwind-I (Вихрь-1)в 1950 г. Для создания имитатора полетов для решения задач стабилизации поведения самолетов и отработки точности бомбометания. Таким образом, возникновение компьютерной графики можно отнести к 1950-м годам. Сам же термин "компьютерная графика" придумал в 1960 г. сотрудник компании Boeing У. Феттер.

Первые компьютеры с мощностью, достаточной для выполнения задач цифровой обработки изображений появились в начале 60-х. Айвэн Сазерленд в 1961 г., еще будучи студентом, создал программу рисования, названную им Sketchpad (альбом для рисования). Программа использовала световое перо для рисования простейших фигур на экране. Полученные картинки можно было сохранять и восстанавливать. В этой программе был расширен круг основных графических примитивов, в частности, помимо линий и точек был введен прямоугольник, который задавался своими размерами и расположением.

Первоначально компьютерная графика была векторной, т.е. изображение формировалось из тонких линий. Эта особенность была связана с технической реализацией компьютерных дисплеев. В дальнейшем более широкое применение получила растровая графика, основанная на представлении изображения на экране в виде матрицы однородных элементов (пикселей).

В том же 1961 г. студент Стив Рассел создал первую компьютерную видеоигру Spacewar ("Звездная война"), а научный сотрудник BellLabs Эдвард Зэджек создал анимацию "Simulationof a two-girogravity control system".

В МГУ 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.

В связи с успехами в области компьютерной графики крупные корпорации начали проявлять к ней интерес, что в свою очередь стимулировало прогресс в области ее технической поддержки.

Университет штата Юта становится центром исследований в области компьютерной графики благодаря Д.Эвансу и А.Сазерленду, которые в это время были самыми заметными фигурами в этой области. Позднее их круг стал быстро расширяться. Учеником Сазерленда стал Э.Кэтмул, будущий создатель алгоритма удаления невидимых поверхностей с использованием Z-буфера (1978). Здесь же работали Дж.Варнок, автор алгоритма удаления невидимых граней на основе разбиения области (1969) и основатель AdobeSystem (1982), Дж.Кларк, будущий основатель компании SiliconGraphics (1982). Все эти исследователи очень сильно продвинули алгоритмическую сторону компьютерной графики.

В том же 1971 г. Гольдштейн и Нагель впервые реализовали метод трассировки лучей с использованием логических операций для формирования трехмерных изображений.

1971-1985 гг. Появились персональные компьютеры, т.е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы писались на ассемблере. Появилось цветное изображение.

Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной графики.

Конец 80-х Программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательств. Возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки.

1986-1990 гг.

Появление технологии Мультимедиа. К графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение пользователя с компьютером расширилось.

Особенности: появление диалога пользователя с персональным компьютером; появление

анимации и возможности выводить цветное изображение.

1991-2010……. гг.

Появление графики нашего дня Virtual Reality.

Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него.

Появление стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию которых, производится имитация реального мира.

Замедление развития этой технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию цвета на неё.

Цветовые модели

Цветовая модель – это совокупность абсолютных или относительных параметров цвета, описывающих данный цвет в данном цветовом пространстве.

Цвет имеет различную физическую природу. На мониторе мы видим цвет, который излучается экраном, на бумаге – цвет, отраженный листом бумаги. Цветовые модели предназначены для описания цветов, образуемых различными методами.

Цветовые модели в графических программах поддерживаются специальными графическими режимами. Все используемые в настоящее время цветовые модели можно условно классифицировать следующим образом:

1. Монохромные:

· двухградационные (дуплексные);

· полутоновые (с оттенками серых цветов);

2. Цветные:

· индексные;

· полноцветные:

· аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

· субтрактивные (CMY, CMYK), основанные на вычитании цветов;

· перцепционные (HSV, HSB, HLS, LAB, и т.д.), основанные на восприятии (интуиции).

Растровое представление графической информации

Основой растрового представления графики является пиксель (точка с указанием ее цвета) - (PICture ELement - элемент рисунка).

В качестве примера рассмотрим черно-белое (без градаций серого) изображение стрелки размером 8х7 точек. Для хранения каждого пикселя необходим 1 бит. Для хранения данного изображения потребуется 8х7=56 бит (или 7 байт).

В случае цветного изображения каждый пиксель имеет размер и глубину цвета – до 32 бит на точку.

Растровые изображения также называются растрами или битмапами, от английского слова bitmap - карта бит и характеризуются разрешением.

Разрешение включает два компонента:

·  Пространственное разрешение;

·  Яркостное разрешение.

При высоком разрешении отдельные пикселы очень малы, поэтому их можно увидеть только при большом увеличении. Для низкого разрешения отдельные пикселы большие и их можно наблюдать на экране.

Чем выше разрешение, тем большее количество пикселов содержит изображение и тем, соответственно, меньше размер отдельного пиксела. В результате изображение с более высоким пространственным разрешением характеризуется большим количеством деталей.

Яркостное (цветовое) разрешение - характеризует количество уровней яркости, которые может принимать отдельный пиксел, или его часто называют глубиной цвета. Чем выше яркостное разрешение, тем большее число уровней яркости (или оттенков цвета) будет содержать файл изображения.

В черно-белых изображениях уровни яркости представляются в виде оттенков серого, и занимают 8 бит памяти (256 оттенков). В цветных изображениях уровни проявляются в виде цветовых тонов — занимают 24 бит памяти (16,7 млн различных цветов).

Обозначения разрешения:

В зависимости от устройства, на котором выводится изображение, возможно использование следующих единиц измерения разрешения:

· spi (sample per inch) – элементов на дюйм (для сканеров);

· dpi (dot per inch) – точек на дюйм;

· ppi (pixel per inch) – пикселов на дюйм;

· lpi (line per inch) – линий на дюйм;

Векторное представление графической информации

Любой рисунок, состоящий из сложных фигур, можно разбить на более мелкие примитивные фигуры, которые в векторном способе кодирования хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических примитивов, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур.

Например:

·  чтобы закодировать круг следует указать компьютеру его радиус, координаты центра и цвет.

·  для прямоугольника достаточно задать размеры сторон, координаты вершин и цвет;

·  с помощью математических формул можно описать самые разные фигуры. Чтобы нарисовать более сложный рисунок, применяют несколько простых фигур.

·  масштабирование изображения происходит с помощью математических операций, например, умножением параметров графических элементов на коэффициент масштабирования.

Основу векторных изображений составляют линии и кривые, называемые векторами или объектами, или контурами. Поэтому векторную графику часто называют объектно-ориентированной.

Каждый независимый объект можно редактировать, т.е:

·  перемещать,

·  масштабировать,

·  изменять.

Область применения векторной графики – создание и редактирование стилизованных изображений:

·  плакаты и другая высококонтрастная графика;

·  диаграммы и графики;

·  логотипы и тексты с четкими и гладкими краями;

Для работы художнику за компьютером необходимо иметь как минимум одну программу для обработки растровых изображений и одну для обработки векторных изображений.

Рисунок Сравнение растрового и векторного представления графической информации

Фрактальное представление графической информации

Фрактальная графика, как и векторная, – вычисляемая, но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению, поэтому ничего, кроме формулы, хранить не нужно. Изменяются коэффициенты уравнения, и программа генерирует совершенно новую картину.

Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из фрагментов». Рождение фрактальной геометрии принято связывать с выходом в 1977 году книги Мандельброта «The Fractal Geometry of Nature». В его работах использованы научные результаты других ученых, работавших в 1875-1925 годах в той же области (Пуанкаре, Фату, Жюлиа, Кантор, Хаусдорф). Но только в наше время удалось объединить их работы в единую систему.

Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые подобны целому. Самоподобие – это свойство фракталов. Объект называют самоподобным, когда части объекта походят на сам объект и друг на друга.

Геометрические фракталы получают с помощью некоторой ломаной (или поверхности), называемой генератором.

Рисунок Образование фрактала

Так, с помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности очень сложной формы.

Благодаря фрактальной графике найден способ эффективной реализации сложных объектов, образы которых похожи на природные. С точки зрения машинной графики фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря.

Геометрические фракталы на экране компьютера — это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Они очень красивы, необычны и интересны. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальная музыка.

Типы графических файлов, графические форматы

Формат файла обычно предусматривает заголовок, предоставляющий информацию о структуре файла. Для сжатых файлов заголовок может также содержать таблицы и другие детали, необходимые для декодирования и отображения сжатого изображения. Заголовок может включать различную информацию, такую как размер файла (число строк развертки и число пикселей на строку развертки), число битов или байтов, выделенных на пиксель, использованная схема сжатия, диапазон кодов цвета, представляющих значения пикселей, и фоновый цвет изображения.

В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них применяется в подавляющем большинстве программ. Как правило, несовместимые форматы имеют файлы растровых, векторных, трехмерных изображений, хотя существуют форматы, позволяющие хранить данные разных классов. Многие приложения ориентированы на собственные «специфические» форматы, перенос их файлов в другие программы вынуждает использовать специальные фильтры или экспортировать изображения в «стандартный» формат.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла .TIF). TIFF аппаратно независимый формат, его поддерживают практически все программы на РС и Macintosh, так или иначе связанные с графикой.

GIF (Graphics Interchange Format). Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году (GIF87a) фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям.

PNG (Portable Network Graphics). PNG - разработанный относительно недавно формат для Сети, призванный заменить собой устаревший GIF.

BMP (Windows Device Independent Bitmap)- растровый формат обмена изображениями между приложениями, работающих в операционной системе Windows (расширение файла .BMP).

PSD (PhotoShop Document)- собственный растровый формат пакета Adobe Photo Shop, один из наиболее мощных по возможностям хранения графической информации.

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения растровых изображений (расширение имени файла .JPG).

PDF (Portable Document Format). Формат описания документов, разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла .PDF).

EPS (Encapsulated PostScript). Формат описания как векторных, так и растровых изображений на языке PostScript фирмы Adobe, фактическом стандарте в области допечатных процессов и полиграфии (расширение имени файла .EPS).

CDR (CorelDRAW Document). Формат файла CDR - векторное изображение или рисунок, созданный с помощью программы CorelDRAW.

WMF (Windows MetaFile) - файл обменного формата векторных данных относится к категории метафайлов.

Ai (Adobe Illustraror). Векторный файл изображения, созданный в программе Adobe Illustrator;

PCX. Формат появился как формат хранения растровых данных программы PC PaintBrush фирмы Z–Soft и является одним из наиболее распространенных (расширение имени файла .PCX).

CGM (Computer Graphics Metafile)- Графический метафайл. Формат файла разработан Международной организацией по стандартизации и Американским национальным институтом стандартов.

PhotoCD - растровый формат, разработанный фирмой Kodak, для хранения цифровых изображений высокого качества.

PCT - векторный формат, используемый на компьютерах Apple Macintosh в операционных системах Mac.