Добавлен: 29.10.2018
Просмотров: 6406
Скачиваний: 22
Глава 1
Компьютерная графика
1.
Основные понятия
Компьютерная графика (машинная графика) — область деятельно-
сти, в которой компьютеры используются в качестве инструмента
как для создания изображений, так и для обработки визуальной инфор-
мации, полученной из реального мира.
Также компьютерной графикой называют результат такой деятельности.
1.1. История компьютерной графики
Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с гра-
фикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Про-
граммируя память первых ЭВМ, построенную на основе матрицы ламп, можно было
получать узоры.
В 1961 г.
программист Стив Рассел (Stephen “Slug” Russell) возглавил проект
по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры «Spacewar!»
(«Космическая война») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на ма-
шине PDP-1.
В начале 1960-х гг.
американский учёный Айвен Сазерленд (Ivan Edward
Sutherland
) 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 1960-х гг.
появились разработки в промышленных приложениях компьютер-
ной графики
. Норман Тейлор (Norman Taylor), Джек Гилмор (Jack Gilmore) и др.
из фирмы Itek в 1962 г. разработали цифровую электронную чертёжную машину
EDM, основанную на PDP-1.
5
Рис. 1.1. «Spacewar!» на компьютере PDP-1
В 1964 г. General Motors
совместно с IBM представила систему автоматизи-
рованного проектирования DAC-1
.
В 1968 г.
группой под руководством Н. Н. Константинова была создана ком-
пьютерная математическая модель движения кошки. БЭСМ-4, выполняя написан-
ную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Ко-
шечка», и это для своего времени было прорывом. Для визуализации использовался
алфавитно-цифровой принтер.
Рис. 1.2. Кадр мультфильма «Кошечка»
Стремительный прогресс компьютерной графики начался с появлением
возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее
(электронно-лучевой трубке).
1.2. Основные области применения
Разработки в области компьютерной графики сначала развивались лишь в
научных учреждениях. Постепенно компьютерная графика прочно вошла в по-
6
вседневную жизнь, стало возможным вести коммерчески успешные проекты в этой
области.
Основные сферы применения технологий компьютерной графики:
• графический интерфейс пользователя;
• спецэффекты, визуальные эффекты
(VFX), цифровая кинематография;
• компьютерная графика для кино и телевидения;
• цифровое телевидение, Всемирная паутина, видеоконференции;
• компьютерные игры, системы виртуальной реальности
(например, тренажё-
ры управления самолётом);
• цифровая фотография
и существенно возросшие возможности по обработке
фотографий;
• визуализация научных и деловых данных;
• системы автоматизированного проектирования;
• компьютерная томография;
• лазерная графика.
1.3. Классификация
По способам задания изображений можно выделить категории:
• двумерная (2D) графика
:
— растровая;
— векторная;
— фрактальная;
• трёхмерная (3D) графика
.
Все графические файлы и программы для работы с ними можно разделить на
векторные
и растровые.
Всякое изображение в растровой графике рассматривается как совокупность
точек разного цвета.
Графическая информация в растровой графике — это совокупность
данных о цвете каждого пикселя.
П´
иксель (от picture element или picture сell) — наименьший логиче-
ский элемент двумерного цифрового изображения в растровой графи-
ке.
7
Рис. 1.3. Растровый рисунок с демонстрацией пикселизации (хорошо видны пиксели
изображения)
Пиксель
представляет собой неделимый объект прямоугольной (обычно квад-
ратной) или круглой формы, обладающий определённым цветом и, возможно, про-
зрачностью. Растровое компьютерное изображение состоит из пикселей, располо-
женных по строкам и столбцам.
Векторный подход рассматривает изображение как совокупность простых эле-
ментов: отрезков, дуг, эллипсов, прямоугольников и пр., которые называются гра-
фическими примитивами
.
Графическая информация в векторной графике — это данные, одно-
значно определяющие все графические примитивы, составляющие рису-
нок.
Например, кривая на рис.
задана командой
\
qbezier(5,5)(15,35)(75,55)
.
s
A
c
B
s
C
Рис. 1.4. Векторный рисунок, из которого был получен рис.
1.4. Графические редакторы
Для создания и редактирования рисунков на компьютере используются графи-
ческие редакторы
. Графические редакторы также разделяются на растровые и век-
торные.
Редактирование растровых файлов заключается в изменении значений цветов
пикселей с помощью различных инструментов и графических функций (т. н. филь-
тров
), а также вырезания/копирования/вставки фрагментов растрового изображе-
ния.
Наиболее известные представители этого семейства программ — Adobe Photoshop,
Corel Photopaint
, GIMP.
Работа в векторных редакторах напоминает работу с конструктором: в любое
время можно внести изменения в рисунок, изменив свойства объектов, добавив или
удалив объект.
8
Наиболее известные представители данного класса ПО — Corel Draw, Adobe
llustrator
, Adobe InDesign, Inkscape, sK1, Adobe Flash, f4l.
3D редакторы — тоже векторные.
Наибольшую известность получили такие редакторы, как 3Ds Max, Maya, Cinema
4D
, Bryce, Modo, Blender, Unity.
1.5. Выводы
Рисовать сложные графические изображения, особенно когда не известно разре-
шение окончательного устройства вывода, удобнее в векторном редакторе. Размер
такого файла, как правило, в несколько раз меньше растрового.
Обрабатывать полноцветные рисунки, редактировать фотоизображения (с уже
заданными размерами и разрешением) лучше в редакторе растровой графики.
2.
Векторная графика
В графических файлах векторного формата содержатся описания графических
примитивов, составляющих рисунок.
В векторном представлении буква K — это три линии (см. пример
). Всякая ли-
ния описывается указанием координат её концов, например,
line(X1,Y1,X2,Y2). То-
гда изображение буквы К можно описать следующим образом:
line(4,2,4,8) line(5,5,8,2) line(5,5,8,8)
.
Для цветного изображения, кроме координат, указывается ещё один параметр —
цвет линии.
Графические файлы векторных форматов содержат информацию о линиях и об-
ластях в виде уравнений кривых разного порядка и различных графических прими-
тивов с указанием необходимых параметров.
Положение и форма графических примитивов задаются в системе графиче-
ских координат
, связанных с экраном.
Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Горизон-
тальная ось X направлена слева направо; вертикальная ось Y — сверху вниз.
Отрезок прямой линии однозначно определяется указанием координат его кон-
цов; окружность — координатами центра и радиусом; многоугольник — координата-
ми его углов; закрашенная область — граничной линией, типами линий и заливки,
цветом линии и заливки и пр.
2.1. Достоинства и недостатки
К достоинствам векторной графики можно отнести следующие её свойства:
•
изображения в векторных форматах не зависят от разрешения устройства
вывода;
•
графические файлы векторного типа имеют относительно небольшие размеры;
•
векторные изображения легко масштабируются без потери качества.
9