Элективный курс Компьютерная графика (9 класс)

Введение в компьютерную графику.

Понятие компьютерной графики. Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов 20 века для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях.

С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем.

Специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов- компьютерная графика.

Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее).

Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности.

Интерактивная компьютерная графика - это использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени.

Основные направления компьютерной графики

Визуализация изображений, Обработка изображений, распознавание изображений.

Существует большое количество методов и алгоритмов визуализации, которые различаются между собой в зависимости от того, что и как должно быть отображено: график функции, диаграмма, схема, карта или имитация трехмерной реальности - изображения сцен в компьютерных играх, художественных фильмах, тренажерах, в системах архитектурного проектирования.

Важными факторами здесь являются: скорость изменения кадров, насыщенность сцены объектами, качество изображения, учет особенностей графического устройства.

Обработка изображений - это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение и результат - тоже изображение:

Задачей обработки изображений может быть, как улучшение в зависимости от определенного критерия (реставрация, восстановление), так и специальное преобразование, кардинально изменяющее изображение. В последнем случае обработка изображений может быть промежуточным этапом для дальнейшего распознавания изображения.

Основной задачей распознавания изображений является получение описания изображенных объектов.

Цель распознавания:

выделение отдельных элементов (например, букв текста на изображении документа или условных знаков на изображении карты),

классификация изображения в целом (например, проверка, изображен ли определенный объект, или установление персоны по отпечаткам пальцев).

Задача распознавания является обратной по отношению к визуализации:

Сферы применения компьютерной графики:

САПР (системы автоматизированного проектирования);

деловая графика (графическое представление данных: таблицы, схемы, диаграммы, иллюстрации, чертежи);

визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);

медицина (компьютерная томография, УЗИ и т.д.);

геодезия и картография (ГИС);

полиграфия (схемы, плакаты, иллюстрации);

сфера массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);

кинематография (спецэффекты, компьютерная мультипликация);

быт (компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).

Виды компьютерной графики:

Растровая графика

Векторная графика

Фрактальная графика

3D - графика

Различаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.

Растровая графика.

Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета.

Пиксель (элемент картинки) - наименьший единый элемент растровой графики.

Основными характеристиками являются глубина цвета и разрешение изображения.

Разрешение изображения

Для определения понятия разрешения необходимо выбрать единицу длины; чаще всего используют британскую - дюйм = 2,54 cм.

Разрешение изображения - это число пикселей на единицу длины, обозначается ppi (пиксели на дюйм).

Физический размер изображения может измеряться и в пикселях, и в единицах длины (мм, см, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом.

Изображение с большим разрешением содержит больше пикселей (и меньшего размера), чем у изображения с меньшим разрешением (и большего размера).

Следует различать: разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и разрешение изображения.

Все эти понятия относятся к разным объектам. Друг с другом эти виды разрешения никак не связаны, пока не потребуется узнать, какой физический размер будет иметь картинка на экране монитора, отпечаток на бумаге или файл на жестком диске.

Разрешение экрана - свойство компьютерной видеосистемы (зависит от параметров монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек Windows).

Разрешение экрана измеряется в пикселях на дюйм (ppi - pixel per inch) и определяет размер изображения, которое может быть размещено на экране целиком.

Разрешение печатающего устройства (принтера) - свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины.

Оно измеряется в единицах dpi (dots per inch - точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере.

Глубина цвета - это количество бит, отведенных на кодирование цвета.

Таким образом, глубина цвета позволяет определить, какое максимальное количество цветов может быть реализовано в изображении.

Например, если глубина цвета составляет 24 бита, то изображение может содержать до 16,8 млн. различных цветов и оттенков (т.е. 224 ≈ 16,8 млн.).

Чем больше цветов используется для электронного представления изображения, тем точнее информация о цвете каждой его точки (т.е. его цветопередача).

Применение растровой графики при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий.

В веб-дизайне и Интернете.

Таким образом, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображения, сколько на их обработку.

Векторная графика.

Векторные графические изображения создаются из объектов (примитивов), которые описываются с помощью так называемых параметрических уравнений (линии, окружность, прямоугольник и др.).

Объекты состоят из контура и заливки.

Объекты векторной графики хранятся в памяти в виде набора параметров, но на экран все изображения выводятся в виде точек.

Перед выводом на экран каждого объекта программа производит вычисления координат экранных точек в изображении объекта, поэтому векторную графику иногда называют вычисляемой графикой.

Широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах (оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов).

Программные средства для работы с векторной графикой предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.

Фрактальная графика.

Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. В основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников.

Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие.

Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. В простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале. Мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры».

Изменяя и комбинирую окраску фрактальных фигур можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию».

Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям.

Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.

3D-графика. (трёхмерная графика)

Трёхмерная компьютерная графика оперирует с объектами в трёхмерном пространстве.

В трёхмерной графике все объекты представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном.

В качестве полигона обычно выбирают треугольники.

Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют три вида матрицы: поворота, сдвига и масштабирования.

Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного.

Трёхмерная графика широко применяется в:

научных расчетах,

инженерном проектировании,

компьютерном моделировании физических объектов,

кино и компьютерных играх.

Список литературы

1. Проузис, Д. Как работает компьютерная графика. / Д. Проузис. - Санкт-Петербург: Питер, 2008.

2. Жвалевский, А. Компьютерная графика: Photoshop CS3, CorelDRAW X3, Illustrator CS3. Трюки и эффекты. / А. Жвалевский, И. Гурская, Ю. Гурский. - Санкт-Петербург: Питер, 2008.

3. Божко, А. Компьютерная графика. / А. Божко, Д.М. Жук, В.Б. Маничев. - Москва: МГТУ им. Баумана, 2007.

4. Вишневская, Л. Компьютерная графика для школьников. / Л. Вишневская - Москва: Новое знание, 2007.

5. Летин, А. Компьютерная графика. / А. Летин, И. Пашковский, О. Летина. - Москва: Форум, 2007.

6. Сергеев, А. Основы компьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW - два в одном. Самоучитель. / А. Сергеев, С. Кущенко. - Москва: Диалектика, 2007.

7. Андреев, О.Ю. Самоучитель компьютерной графики. Учебное пособие. / О.Ю. Андреев, В.Л. Музыченко. - Москва: Триумф, 2007.