лр2. Лабораторная работа № 2_текст (1). Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50х годов для больших эвм, применявшихся в научных и военных исследованиях
 Скачать 101 Kb.
|
|
Введение Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Существует 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. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуализация строения вещества, векторных полей и других данных), моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, в ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Особенности цветового охвата характеризуют такие понятия, как черно-белая и цветная графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия некоторых разделов: инженерная графика, научная графика, Web-графика, компьютерная полиграфия и прочие. Неподвижные изображения пригодны для некоторых программ-приложений компьютерной графики, но иногда возникает необходимость в движущихся изображениях. Компьютерная анимация — вид анимации, создаваемый при помощи компьютера. На сегодня получила широкое применение как в области развлечений, так и в производственной, научной и деловой сферах. Компьютерная анимация может быть двухмерной и трехмерной, существует и компьютерная перекладка. 1. Основы компьютерной графики 1.1. Компьютерная графика Компьютерная графика - это область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений (рисунков, чертежей, мультипликации) на компьютере. Работа с компьютерной графикой - одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы, в выпуске рекламной листовки или буклета. Необходимость широкого использования графических программных средств стала особенно ощутимой в связи с развитием Интернета и, в первую очередь, благодаря службе World Wide Web, связавшей в единую "паутину" миллионы "домашних страниц". У страницы, оформленной без компьютерной графики мало шансов привлечь к себе массовое внимание. Область применения компьютерной графики не ограничивается одними художественными эффектами. Во всех отраслях науки, техники, медицины, в коммерческой и управленческой деятельности используются построенные с помощью компьютера схемы, графики, диаграммы, предназначенные для наглядного отображения разнообразной информации. Конструкторы, разрабатывая новые модели автомобилей и самолетов, используют трехмерные графические объекты, чтобы представить окончательный вид изделия. Архитекторы создают на экране монитора объемное изображение здания, и это позволяет им увидеть, как оно впишется в ландшафт. 1.2. Виды компьютерной графики Компьютерная графика подразделяется на: статичную (неподвижная), динамичную (анимация, компьютерная мультипликация). Каждая из которых в свою очередь делится на 2-х мерную и 3-х мерную. В зависимости от способа формирования изображений, компьютерную графику принято делить на: растровую; векторную; фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Растровая графика - машинная графика, в которой изображение представляется двумерным массивом точек (элементов растра), цвет и яркость каждой из которых задается независимо. Растр (растровый массив) - представление изображения в виде двумерного массива точек, упорядоченных в ряды и столбцы. Для каждой точки растра указывается цвет и яркость. Пиксель - элемент (точка) растра (pixel - сокращение от слов picture element, т.е. элемент изображения), минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения. Пиксель - основной элемент, кирпичик всех растровых изображений. Термином пиксель кроме отдельного элемента растрового изображения отображают также отдельную точку на изображении, отдельную точку на экране компьютера, отдельную точку на изображении, напечатанном на принтере. Обычно используют термин: пиксель - при ссылке на отдельный элемент растрового изображения; видеопиксель - при ссылке на элемент изображения экрана компьютера; точка - при ссылке на отдельную точку. создаваемую на бумаге. Достоинства растровой графики Растровая графика эффективно представляет реальные образы, т.к. человеческий глаз приспособлен для восприятия мира как огромных наборов дискретных элементов, образующих предметы. Хорошее растровое изображение выглядит реально и естественно. Растровое изображение наиболее адаптировано для распространенных растровых устройств вывода - лазерных принтеров и др. Недостатки Занимают большой объем памяти. Редактирование больших растровых изображений, занимающих большие массивы памяти, требуют большие ресурсы компьютера и, следовательно, требуют большего времени. Трудоемкий процесс редактирования растровых изображений. При увеличении размеров изображения сильно ухудшается качество. Применение: обработка фотоизображений, художественная графика, реставрационные работы, работа со сканером. Векторная графика описывает изображение с помощью математических формул. По своей сути любое изображение можно разложить на множество простых объектов, как то - контуры, графические примитивы и т.д. Любой такой простой объект состоит из контура и заливки. Основное преимущество векторной графики состоит в том, что при изменении масштаба изображения оно не теряет своего качества. Отсюда следует и другой вывод - при изменении размеров изображения не изменяется размер файла. Ведь формулы, описывающие изображение, остаются те же, меняется только коэффициент пропорциональности. С другой стороны, такой способ хранения информации имеет и свои недостатки. Например, если делать очень сложную геометрическую фигуру (особенно если их много), то размер "векторного" файла может быть гораздо больше, чем его "растровый" аналог из-за сложности формул, описывающих такое изображение. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что векторную графику следует применять для изображений, не имеющих большого числа цветовых фонов, полутонов и оттенков. Например, оформления текстов, создания логотипов и т.д. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или чертежной графикой. Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы, заполнители (области однотонного или изменяющегося цвета для заполнения частей объектов) и т.п., называются примитивами и используются при создании более сложных объектов. В векторной графике изображения создаются путем комбинации различных объектов. Файлы векторной графики могут содержать растровые изображения в качестве одного из типов объектов, представляющего набор инструкций для компьютера, такой растровый фрагмент можно, как правило, только масштабировать, но не редактировать. Существуют программы поддерживающие оба типа объектов и позволяют работать как с растровым так и с векторным изображением одновременно, хотя форматы растровых файлов описывают растровые изображения более эффективно. Файлы векторной графики могут содержать несколько различных элементов: наборы векторных команд; таблицы информации о цвете рисунка; данные о шрифтах, которые могут быть включены в рисунок. Сложность векторных форматов определяется количеством возможных команд описания объектов. Векторные форматы файлов могут различаться способом кодирования данных, обладать разными цветовыми возможностями. Цвет объекта хранится в виде части его векторного описания. Преимущества векторной графики. Векторная графика использует все преимущества разрешающей способности любого устройства вывода (используется максимально возможное количество точек устройства), что позволяет изменять размеры векторного рисунка без потери качества. Векторная графика позволяет редактировать отдельные части рисунка, не оказывая влияния на остальные Векторные изображения, не содержащие растровых объектов, занимают относительно небольшое место в памяти компьютера. Недостатки. Векторные изображения выглядят искусственно. Легко масштабировать, но меньше оттенков и полутонов чем в растровой графике. Применение: компьютерная полиграфия, системы компьютерного проектирования, компьютерный дизайн и реклама. Фрактальная графика – одна из быстроразвивающихся и перспективных видов компьютерной графики. Фрактал – структура, состоящая из частей, подобных целому. Одним из основных свойств является самоподобие. (Фрактус – состоящий из фрагментов). Объекты называются самоподобными, когда увеличенные части объекта походят на сам объект. Небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале. В центре находится простейший элемент – равносторонний треугольник, который получил название- фрактальный. На среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной =1/3 от стороны исходного фрактального треугольника, в свою очередь на средних отрезках сторон, являющихся объектами первого поколения строятся треугольника второго поколения 1/9 от стороны исходного треугольника. Таким образом, мелкие объекты повторяют свойства всего объекта. Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Полученный объект носит название – фрактальной фигуры. Абстрактные композиции можно сравнить со снежинкой, с кристаллом. Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, т.е. никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Таким образом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций. Применение: в математике и художественном деле. Трехмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие поверхности. Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и “гладкость” поверхности в целом. В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется: спроектировать и создать виртуальный каркас (“скелет”) объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме; Спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные; присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне – “спроектировать текстуры на объект”); Настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, – задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей. Применение: научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов изделия в машиностроении, видеороликах, архитектуре. 1.3. Компьютерная анимация Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений. Любая компьютерная анимация выполняется обычно следующим образом: вносятся изменения в изображение на экране с быстротой, достаточной для того, чтобы последовательность изображений казалась движущейся картинкой. По научным данным, для того, чтобы успеть увидеть и осознать содержание изображения, человеческому мозгу необходимо не менее четверти секунды. При просмотре фильмов в кинотеатре, человек видит 24 разных изображений, или кадров каждую секунду. Каждый кадр показывается в течении 1/24 секунды. Ум человека не успевает осознать отдельно взятый кадр, он воспринимает движущуюся картинку. Компьютерная анимация работает по тем же принципам. Большинство современных компьютеров неспособно показывать 24 полноэкранных изображения в секунду, но приемлемое качество может быть получено и при существенно меньшей скорости. Уловка состоит в показе максимально возможного числа кадров и сокращения до минимума времени на перерисовку кадра. Общее впечатление сильно ухудшается, если пользователь может видеть, как перерисовываются кадры. Лучший эффект анимации на компьютере достигается при использовании двойного буфера - способа, который известен также под названием переключения видеостраниц. Использование двойного буфера сводит время перерисовки экрана к абсолютному минимуму - к 1/60 секунды. Программы, использующие двойной буфер, работают одновременно с двумя видеобуферами, только один из которых виден пользователю в произвольно взятый момент времени. Все перерисовки осуществляются в том буфере, который в данный момент не виден. Когда новое изображение создано на скрытом буфере, программа переключает состояние буферов, делая скрытый до этого момента буфер видимым, а видимый - скрытым (как бы меняя их местами). Когда такое переключение произошло, новое изображение появляется мгновенно. Не имеет значения, сколько по времени занимает генерация каждого кадра в компьютере, пользователь программы видит только конечный результат, и изменения протекают гладко от одного кадра к последующему. Существуют и другие способы компьютерной анимации. Например, на видеоадаптерах, обладающих палитрой, течение лавы может быть сымитировано весьма эффективно перепрограммированием палитры между кадрами. Этот метод очень быстр, так как перепрограммируя один регистр палитры, видеоадаптер меняет цвет каждого соответствующего ему пикселя на экране в мгновение ока. Анимация, использующая палитру, интересна, но ее применение ограничено, и становится все более редким с приходом все большего числа видеоадаптеров, использующих 24-x битный режим цвета. Ввиду сказанного, мы остановимся на рассмотрении двух наиболее используемых форм анимации: двойной буферизации и масковой анимации. По принципу анимирования можно выделить несколько видов компьютерной анимации: Анимация по ключевым кадрам. Расстановка ключевых кадров производится аниматором. Промежуточные же кадры генерирует специальная программа. Этот способ наиболее близок к традиционной рисованной анимации, только роль фазовщика берет на себя компьютер, а не человек. Запись движения. Данные анимации записываются специальным оборудованием с реально двигающихся объектов и переносятся на их имитацию в компьютере. Распространённый пример такой техники — Motion capture (захват движений). Актеры в специальных костюмах с датчиками совершают движения, которые записываются камерами и анализируются специальным программным обеспечением. Итоговые данные о перемещении суставов и конечностей актеров применяют к трёхмерным скелетам виртуальных персонажей, чем добиваются высокого уровня достоверности их движения. Процедурная анимация полностью или частично рассчитывается компьютером. Можно выделить следующие её виды: симуляция физического взаимодействия твёрдых тел; имитация движения систем частиц, жидкостей и газов; имитация взаимодействия мягких тел (ткани, волос); расчёт движения иерархической структуры связей (скелета персонажа) под внешним воздействием; имитация автономного (самостоятельного) движения персонажа. Программируемая анимация. Широкое применение в сети получили два языка, с помощью которых программируются движения анимируемых объектов: Java-Script - браузерный язык Action-Script - язык работы с приложениями Flash Преимущество программируемой анимации - в уменьшении размера исходного файла, недостаток - нагрузка на процессор клиента. Хранение. Компьютерная анимация может храниться в универсальных графических файлах (например, в формате GIF) в виде набора независимых изображений, либо в специализированных файлах соответствующих пакетов анимации (3ds Max, Blender, Maya и т. п.) в виде текстур и отдельных элементов, либо в форматах, предназначенных для просмотра (FLIC (англ.)) и применения в играх (Bink). Также, анимация может сохраняться в форматах, предназначенных для хранения видео (например, MPEG-4). Применение. Компьютерная анимация (последовательный показ слайд-шоу из заранее подготовленных графических файлов, а также компьютерная имитация движения с помощью изменения и перерисовки формы объектов или показа последовательных изображений с фазами движения, подготовленных заранее или порождаемых во время анимации) может применяться в компьютерных играх, мультимедийных приложениях (например, энциклопедиях), а также для «оживления» отдельных элементов оформления, например, веб-страниц и рекламы (анимированные баннеры). На веб-страницах анимация может формироваться средствами стилей (CSS) и скриптов (JavaScript) или модулями, созданными с помощью технологии Flash или её аналогов (флеш-анимация). 1.4. Области применения компьютерной графики Работа с компьютерной графикой – одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера, причем занимаются этой работой не только профессиональные художники и дизайнеры. На любом предприятии время от времени возникает необходимость в подаче рекламных объявлений в газеты и журналы или в выпуске рекламной листовки или буклета. Применение графики не только увеличивает скорость восприятия информации и повышает уровень ее понимания. Без компьютерной графики не обходится ни одна современная мультимедийная программа. Работа над графикой занимает до 90% рабочего времени программистских коллективов, выпускающих программы массового применения. Необходимость широкого использования графических программных средств стала особенно ощутимой с развитием Интернета и, в первую очередь, благодаря службе World Wide Web , связавшей в единую “паутину” миллионы отдельных “домашних страниц”. Научная графика. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов. Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц. Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения. Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами. Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики. |